بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحلیل امنیت و امکان پذیری ریز شبکه AC/DC هیبرید انرژی شامل توربین بادی همراه با کنترل هماهنگی لازم
چکیده
در این مقاله به بحث و بررسی پیرامون ریزشبکه شامل انواع منابع تولید پراکنده همراه با مبدل های AC به DC و DC به AC لازم می پردازیم . سیستم مورد مطالعه دارای هر دو بخش AC و DC می باشد و در آن از سیستم ذخیره ساز انرژی در لینک DC به منظور دریافت جریان مازاد بر سیستم استفاده شده است . شبکه مورد نظر در سناریوهای مختلف کاری اعم از تغییر سرعت باد برای توربین بادی ، تغییر میزان تابش برای سلول خورشیدی و همینطور تغییر میزان بار موجود در بخش AC مورد مطالعه قرار گرفته و در آن از پیل سوختی به عنوان منبع تولید پراکنده کمکی در مواقع اضطراری-کاهش جریان تولیدی با استفاده از کنترلر فازی کوپل شده بر روی مبدل DC/DC آن استفاده شده است . نتایج شبیه سازی نشان از پایداری شبکه ، امنیت شبکه و هماهنگی عالی در بحث مدیریت انرژی دارد .
واژه های کلیدی مدیریت انرژی ؛ امنیت و امکان پذیری ؛ توربین بادی ؛ سلول خورشیدی؛ پیل سوختی ؛ کنترلر -PIDفازی
.1 مقدمه
در این پایان نامه پس از بررسی انواع منابع تولید پراکنده اعم از توربین بادی ، سلول خورشیدی ، سیستم ذخیره ساز انرژی و پیل سوختی ، هدف را بر آن قرار دادیم تا امکان پذیری ، امنیت و قابلیت ترکیب این منابع را در کنار هم و در قالب یک ریزشبکه بررسی کنیم . برای دست یابی به این منظور در هر یک از منابع تولید پراکنده صرفا تولید کننده توان براساس ورودی مشخص ، کنترلرهای متناسب به منظور دریافت حداکثر توان (پیچ کنترلر برای توربین بادی و MPPT برای سلول خورشیدی) جایگذاری شد و بوسیله مبدل های DC به DC متناسب با ولتاژ مطلوب خروجی جایگذاری شد در کنار آن از سیستم ذخیره ساز انرژی به عنوان یک بار متغیر در سیستم که قابلیت شارژ و دشارژ جریان را دارد استفاده شد تا جریان مازاد بر بار ثابت در سیستم را ذخیره کرده و پروفیل ولتاژ را بهبود داده تا کمترین نوسان را در لینک DC ولتاژ داشته باشیم .در بخش کنترل ولتاژ لینک DC از پیل سوختی استفاده شد به طوریکه در آن از یک مبدل BOOST مدل متوسط برای سوئیچینگ و تثبیت ولتاژ استفاده شده است کنترلر مورد استفاده در مبدل از نوع PID انتخاب شد تا کلیه قابلیت های مثبت یک کنترلر متداول سیستم های قدرت را در خود داشته باشد ، این کنترلر با مقایسه ولتاژ واقعی خط با مقدار مرجع کلید زنی متناسب را انجام می دهد .
از نقطه نظر بررسی عملکرد هیبریدی در سیستم می توان چنین نتیجه گرفت که اساسا در حالت عملکرد عادی سیستم هر یک از منابع تولید پراکنده تجدیدپذیر در سیستم اعم از توربین بادی یا سلول خورشیدی به شرط قرار گیری در نقطه عملکرد مطلوب از لحاظ ورودی (سرعت باد حول و حوش سرعت نامی مطلوب برای توربین و تابش متناسب با خروجی جریان مطلوب به منظور تامین بار اولیه برای سلول خورشیدی ) قادر به تامین بار اولیه و اسمی سیستم می باشند که این وضعیت در سناریوهای اول و دوم شبیه سازی به ترتیب برای سلول خورشیدی تنها و توربین تنها بررسی شد ، با دقت در خروجی شکل ها می توان دریافت که در این بازه زمانی پیل سوختی عملا خارج از مدار قرار گرفته (جریان متناظر پیل سوختی صفر است) و سیستم هیبریدی با سلول خورشیدی در بازه [0.5-0] ثانیه و با توربین بادی در بازه (1- 0.5) ثانیه تغذیه می شود ، در سناریوی بعدی با افزایش میزان بار کنترلر Boost پیل سوختی خطای ورودی در سیگنال ولتاژ را درک و بلافاصله جریان متناظر را اعمال می کند تا مانع از افت ولتاژ شود . فرآیند افزایش بار یکبار دیگر در سیستم انجام می شود تا میزان باردهی پیل سوختی مورد آزمایش قرار گیرد .
در بخش بار سیستم از یک مبدل DC به AC برای تغذیه بار سه فاز استفاده شده است این مبدل کاملا کنترل شده بود و می توان انواع مختلف سطح ولتاژ را در آن تست کرد . با مشاهده شکل موج ولتاژ و جریان خروجی و همچنین میزان هارمونیک کل روی ولتاژ می توان عملکرد مناسب مبدل را نتیجه گرفت . همانطوریکه قبلا عنوان شد بار در دو مرحله دیگر افزایش می یابد و ما شاهد افزایش مقدار موثر اندازه گیری شده جریان می باشیم و در حضور مولفه کلیدزنی مناسب مانع از کاهش سطح ولتاژ AC در طول افزایش بار شبکه می باشیم ( البته در این امر محدودیتی متناسب با میزان جریان کل ورودی به سیستم داریم چنانکه افزایش بار درخواستی بیشتر از تولیدی چه بسا باعث کاهش سطح ولتاژ و پایین آمدن عملکرد سیستم می شود .
.2 مدلسازی و ساختار شبکه
.2.1 ترکیب بندی کلی شبکه
در یک نگاه کلی ساختار شبکه دارای دو بخش AC و DC می باشد ، بخش AC شامل انواع منابع تولید پراکنده از جمله توربین بادی ، سلول خورشیدی و پیل سوختی به عنوان سیستم پشتیبان انرژی می باشد و همینطور سیستم ذخیره ساز انرژی و الکترولایزر به عنوان منبع تولید هیدروژن برای پیل سوختی نیز در بخش DC قرار داده شده اند . بخش AC شامل بار خطی تغییر پذیر با زمان می باشد که طبق یک مشخصه در لحظاتی از کار میزان آن افزایش یافته و در نهایت به مقدار 2.5 برابر اولیه می رسد . دو بخش AC و DC توسط یک مبدل DC به AC به هم متصل شده اند . شکل (1) نشان دهنده ی شماتیک اتصالات شبکه می باشد
.2.2 عملکرد کلی شبکه
سیستم دارای یک بار اولیه با مقدار 30 کیلووات می باشد و این میزان بار توسط هر یک از منابع تولید پراکنده قابل تغذیه می باشد که در مدت زمان 1.5 ثانیه اول شبیه سازی این وضعیت تست می شود ، سپس میزان بار دو برابر شده و نیاز به یک سیستم پشتیبان انرژی به منظور حفظ ولتاژ خط DC و از طرفی دیگر ایجاد توان لازم برای بخش بار احساس می شود که برای این امر از پیل سوختی با ادوات کنترلی متناسب استفاده شده است . در مبدل DC به DC پیل سوختی که مدل متوسط یک بوست می باشد از یک کنترلر -PIDفازی جهت کلیدزنی استفاده شده است . دلیل استفاده از کنترلر فازی کوپل شده با PID به دلیل ماهیت تطبیقی بودن کنترلر مورد نظر می باشد چرا که در بخش های مختلف کاری سیستم نیاز به تغییر پارامترهای کنترلر خواهیم داشت .
.2.3 مدلسازی مولد توربین بادی
ژنراتورهای PMSG به صورت گسترده در سیستم های تبدیل انرژی باد سرعت متغییر به کار می روند. این ژنراتورها می توانند با تعداد زیادی قطب ساخته شوند و مستقماًی به توربین بادی متصل گردند.
معمولاًسی ستم های تبدیل انرژی باد، توسط سه متغیر کنترل می شود:
1. حداکثر توان قابل حصول از توربین بادی
2. توان راکتیو تزریقی به شبکه
3. ولتاژ لینک DC مبدل های الکترونیک قدرت
از این میان در این پژوهش از روش های 1 و 3 بهره جسته ایم.
برای استحصال حداکثر توان MPPT با فید بک سرعت روتور کنترل می شود. در این روش، سرعت مکانیکی روتور ( ( wm اندازه گیری شده و توسط کنترلر PT کنترل می شود. مقدار مرجع سرعت مکانیک روتور ، از از اندازه گیری توان مکانیکی ( ( Pm به دست می آید.
این کنترل کننده با تغییر زاویه پره ها نسبت به جهت وزش باد گشتاور وارد شده به ضفت توربین را کنترل می کند. بدین ترتیب که اگر سرعت باد کمتر از سرعت باد نامی، باشد زاویه نصب در مقدار بهینه نگه داشته خواهد شد. و اگر سرعت باد از سرعت باد نامی تجاوز کند، کنترل کننده، خطای توان را محاسبه می کند و خروجی کنترل کننده زاویه نصب مورد نیاز را ارائه می دهد. شکل (2) نشان دهنده ی ساختار این کنترلر می باشد .
.2.4 مدلسازی سلول خورشیدی
در سیستم PV برای اتصال به لینک DC از یک مبدل DC/DC افزاینده استفاده کرده ایم.شکل زیر مدار کلی سیستم PV را نشان می دهد.
برای اجتناب از ترانسفورهای حجیم و فرکانس پایینکه عمدتاً به خاطر اندازه نسبتاً بزرگ و کارایی پایین شان به عنوان اجزای ضعیفی محسوب می شوند، سیستم های تبدیلی دو مرحله ای به طور گسترده ای برای مولد PV مورد استفاده قرار گرفته است. متداول ترین توپولوژی های یک اینوتر PWMمنبع ولتاژ DC-AC به ردیابی نقطه حداکثر توان ( MPPT) و تقویت ولتاژ می پردازد.
روش MPPT پیشنهادی روش (Incond) Incemental Conductanceمی باشد. در ادامه ساختار کلی کلیدزنی برای مبدل PV را در شکل (4) مشاهده می کنید:
.2.5 مدلسازی پیل سوختی
یکی از تعیین کننده ترین پارامترها برای پیل سوختی، جریان کشیده شده از آن است که باید تا حد ممکن صاف، خالی از ریپل باشد. با توجه به این که رپیل جریان یکی از پارامترهایی است که با مبدل ها و ساختارهای الکترونیک قدرت همواره مطرح می شود در این پژوهش سعی شده که توسط مبدل رپیل جریان را کاهش دهیم و یا فرکانس آن را افزایش دهیم. در واقع کار مبدل dc/dc افزایش مناسب سوختی برای متوصل شدن به لینک dc است .
در شکل (5) زیر پیل سوختی به همراه مبدل نشان داده شده.
