بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به اهمیت موضوع تشخیص خطا در هنگام تغییر حالت ریزشبکهها و تحت تاثیر قرار گرفتن ساختار ریزشبکه در هنگام جزیرهای استفاده از روش رله به طور سنتی در این سیستمها پیشنهاد نمیشود. لذا در این مقاله، روشی جدید جهت تشخیص خطا در زمان مناسب، کنترل و ایزوله کردن منطقه خطا در یک ریزشبکه DC مبتنی بر طراحی رویتگر-کنترلگر غیرخطی ارائه شده است. چنانچه با توجه به دینامیکهای غیرخطی ریزشبکه مورد مطالعه، از روشهای طراحی معادلات ریکاتی وابسته به حالت - 1SDRE - جهت طراحی هردو بخش رویتگر و کنترگر استفاده شده است. عملکرد روش پیشنهادی بر روییک ریزشبکه DC که شامل سلول خورشیدی، باطری و مبدل متصل به شبکه میباشد، مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج حاصل از شبیهسازیهای انجام شده در محیط نرمافزار Matlab حاکی
از توانائی بالای روش پیشنهادی درتشخیص بهموقع خطا و عدم تشخیص اغتشاش بعنوان خطا میباشد.
کلمات کلیدی
ریزشبکهDC، تشخیص خطا، کنترلگر SDRE، رویتگر .SDRE
-1 مقدمه
یک ریزشبکه شامل مجموعهای از منابع تولید پراکنده، سیستم ذخیره انرژی و بارها میباشد که میتواند به صورت اتصال به شبکه و یا عملکرد جزیرهای مورد بهرهبرداری قرار گیرد. به طور کلی ریزشبکهها به دو دسته AC و DC تقسیمبندی میشوند که ریزشبکههایDC به نسبت ریزشبکههایAC دارای مزیتهای بیشتری میباشند. از جمله میتوان به انتقال سطح توان بیشتر در یک سطح کابل مشخص اشاره کرد. به علاوه، در ریزشبکههایDC اثر پوستی وجود ندارد و لذا از تمامی سطح کابل جهت انتقال جریان میتوان استفاده کرد که این امر باعث کاهش تلفات در این ریزشبکههایDC میشود. به همین دلیل در یک جریان یکسان، ریزشبکههایDC به قطرکابل کوچکتر و عایقبندی کمتری نیاز دارند .[2,1]
ریزشبکهها قابلیتهای بالایی را به شبکهی توزیع میدهند. اما برای پیادهسازی هنوز مشکلاتی از جمله حفاظت آنها وجود دارد. قابلیت تغییر حالت عملکردی ریزشبکه، باعث تغییر در ساختار و تغییر سطح جریان اتصال کوتاه به ازای وقوع خطا در داخل ریزشبکه میشود. در کنار این مسائل، حتی با توجه به حضور زیاد منابع تجدیدپذیر در ریزشبکهها، جریان خطا همچنان در حالت جزیرهایی کوچک خواهد ماند. حفاظت ریزشبکههایDC، به نسبت ریزشبکههایAC مسئله چالش برانگیزتری است.
از جمله دلایل این موضوع میتوان به بالا بودن جریان عبوری در هنگام خطا، هزینه بالای تجهیزات جهت قطع این جریان بالا و ... در ریزشبکههایDC اشاره نمود. در مطالعات اخیر روشهایی جهت تشخیص خطا در ریزشبکههایDC ارائه شده است. یکی از این روشها، استفاده از حفاظت دیفرانسیلی میباشد [4,3] که وابسته به ارتباط دو سر خط است به گونهای که ابتدا و انتهای خط را سنجیده و در صورت اختلاف این دو خطای سیستم را تشخیص داده و ناحیه خطا را ایزوله مینماید. عیب این روش پایین بودن ضریب اطمینان سیستم حفاظتی میباشد. یکی دیگر از حفاظتهای موجود حفاظت اضافه جریان است .[5] عملکرد این رله به گونهای است که باید جریان زیادی تا حد آستانه تحریک رله از سیستم عبور کرده تا رله تشخیص خطا داده و فرمان تریپ را صادر نماید. عبور چنین جریان زیادی حتی در مدت زمان کم نیز مشکلساز خواهد بود. مرجع [6] استفاده از رله ریزپردازنده جهت تشخیص خطا را در ریزشبکههای ولتاژ پایین پیشنهاد کرده است. در آخر چند روش حفاظت وابسته به ارتباطات بین نواحی تحت پوشش نیز برای شبکههای توزیع با نفوذ بالای توربینهای بادی متصل به شبکه پیشنهاد شده است .[8,7] این در حالیست که چنین روشهای حفاظتی برای ریزشبکهها مناسب دیده نمیشود.
روشهای مبتنی بر رویتگر میتوانند جهت تشخیص خطا در ریزشبکه-ها به صورت مدون به کار گرفته شوند. استفاده از طراحی رویتگر خطی جهت حفاظت از خط انتقال، توسط اسرریگ2 و همکارانش در یک ریزشبکه AC مورد ارزیابی واقع شده است [9] از جمله مزایا و معایب این روش به ترتیب میتوان به تشخیص سریع و مقاوم نبودن رویتگر در برابر اغتشاش اشاره نمود. مرجع [10] به بررسی استفاده از رویتگر خطی جهت حفاظت از خط و ترانسفورماتور با استفاده از حداقل حسگر اندازهگیری پرداخته و مرجع [11] نیز اشاره به استفاده از رویتگر غیرخطیSDRE جهت تشخیص خطا در توربینهای بادی نموده است. نتایج به دست آمده از مراجع [11-9] حاکی از توانمندی استفاده از رویتگرهای خطی و غیرخطی جهت تشخیص خطا در ریزشبکهها میباشد. نحوه کارکرد این روشها به گونهای است که خروجی واقعی سیستم با خروجی نامی آن که براساس یک مدل ریاضی محاسبه شده است مقایسه میشود و در صورت اختلاف این دو، جریان مانده غیر صفری تشکیل خواهد شد که با توجه به آن امکان تشخیص خطا فراهم میشود.
روشهای طراحی معادلات ریکاتی وابسته به حالت برای اولین بار در سال 1962 توسط پیرسون3 جهت حل مسئله تنظیم بهینه برای سیستم-های غیرخطی ارائه شد .[12] ایده اصلی روش SDRE نمایش سیستم غیرخطی به صورت یک سیستم خطی وابسته به حالت یا شبهخطی میباشد .[13] چندین روش از جمله آنها جهت حل مسایل مختلف براساس شبه-خطی سازی ارائه شده است. باتوجه به ویژگیهای جذاب روش SDRE، روشهای گوناگونی جهت حل مسائل متنوعی از جمله طراحی فیلتر مقاوم زیر بهینه لغزشی برای سیستمهای تاخیردار [14] و طراحی رویتگر غیرخطی تاخیردار و ... ارائه شدهاند .[15] برخی از دلایل استفاده از این روشها بهرهگیری از مفاهیم ساده کنترل خطی، در نظر گرفتن تمامی دینامیکهای غیرخطی سیستم و عدم استفاده از هر نوع تقریبی، توانایی لحاظ کردن قید بر روی ورودی کنترل، بهبود عملکرد با تغییر در ماتریس-های وزنی و مقاوم بودن این روش در برابر اغتشاش و نامعینی اشاره نمود.
در این مقاله، با توجه به غیرخطی بودن سیستم پیشنهادی و مزایای ذکر شده در بالا برآن شدیم، روشی جدید جهت تشخیص خطا و کنترل در ریزشبکه بر مبنای رویتگر-کنترلگر غیرخطی وابسته به معادلات ریکاتی - SDRE - پیشنهاد نماییم. چنانچه برخلاف حفاظتهای اخیر که بدان اشاره شد، نیاز به یک سیستم حفاظت تطبیقی همانند رله اضافه جریان که باید با تغییرات شبکه وفق پیدا کند نیست.[16] بنابراین، رویتگر با تغییر در ساختار شبکه تحت تاثیر قرار نمیگیرد. این روش جهت تشخیص خطا، مطابق شبیهسازیهای انجام شده دارای سرعت و دقت بالاتری بوده و می-تواند خطاهای کوچک سیستم را نیز تشخیص داده و در مقابل اغتشاش و نویز نیز مقاوم باشد. همچنین از نظر اقتصادیدر مقایسه با سایر روشهای رایج بسیار به صرفهتر خواهد بود.
قسمتهای باقیمانده این مقاله بدین صورت تدوین شده است. در بخش دوم به معرفی ساختار ریزشبکه DC مورد مطالعه، معرفی انواع خطاها رایج و معادلات استخراجی در این ریزشبکه میپردازیم. در بخش سوم به معرفی روش پیشنهادی ریزشبکه پرداخته شده است. در بخش چهارم نتایج و شبیهسازیها ارائه شده و در نهایت نتیجهگیری کلی از روش پیشنهادی در بخش پنجم ارائه خواهد شد.
-2 معرفی ساختار ریزشبکه
شکل - 1 - آرایش ریزشبکه مورد مطالعه در این مقاله را نشان میدهد که شامل چهار ترمینال متصل به باس، یک سلول خورشیدی - PV - که از طریق مبدل DC-DC به باس وصل شده است، یک ذخیرساز ابرخازنی برای عملکرد سیستم در حالت جزیرهای با استفاده از مبدل DC-DC دو جهته به باسبار متصل شده و یک بار مقاومتی نیز جهت شبیهسازی سیستم،مستقیماً به باسبار متصل شده است. این ریزشبکه جهت استفاده در حالت متصل به شبکه از طریق یک مبدل DC/AC به شبکه اصلی متصل گردیده است.
شکل : - 1 - ساختار ریزشبکه مورد مطالعه.
طرح مدیریتی این ریزشبکه بدین صورت است که در حالت متصل به شبکه، ولتاژ توسط اینورتر G-VSG کنترل میگردد به نحوی که اگر ذخیرهسازها خالی باشند مقداری از توان تولیدی ریزشبکه صرف شارژ شدن ذخیرهسازها گردد و در صورت پر بودن ذخیرهسازها قسمتی از توان تولیدی به شبکه اصلی انتقال داده شود. طرح مدیریتی ریزشبکه در حالت جزیرهای بدین گونه تغییر خواهد کرد، که چنانچه توان تولیدیسلول خورشیدی بیشتر از توان مصرفی باشد، ذخیرسازها شروع به پر شدن نمایند و توان اضافی نیز جهت تعادل توان مورد مصرف قرار گیرد در غیر این صورت اگر توان تولیدی کمتر از توان مصرفی باشد، ذخیرهسازها شروع به خالی شدن مینمایند به طوری که ولتاژ در دو حالت متصل به شبکه و جزیرهای ثابت باقی بماند .[17] در ادامه به شرح مختصری از وقوع خطاهای رایج در ریزشبکههایDC خواهیم پرداخت. سپس به بررسی مدل ریاضی ریزشبکه مورد مطالعه میپردازیم.
-2-1 انواع خطا در ریزشبکههایDC
خطاهای رایج در ریزشبکههایDC به دو بخش تقسیم بندی میشود: خطای خط به خط و خطای خط به زمین .[18] خطاهای فوق زمانی اتفاق خواهند افتاد که هرکدام از خطوط مثبت یا منفی بهم یا به زمین متصل شوند.
امکان وقوع خطای خط به خط بر روی سیستم متصل شده کمتر از خطای خط به زمین میباشد. در خطوط هوایی، خطای خط به خط میتواند به وسیله یک شئ که ارتباط بین خطوط مثبت و منفی را ایجاد میکند اتفاق بیافتد. همچنین این خطا میتواند در اثرخرابی کلیدها و دستگاههای کلیدزنی اتفاق افتاده و سیستم را ناپایدار سازند.
خطای خط به زمین زمانی اتفاق میافتد که مثبت خط به منفی زمین متصل شود. در خطوط هوایی زمانی که صاعقه با خط برخورد مینماید امکان رخداد خطای خط به زمین فراهم میشود. این پدیده ممکن است موجب پاره شدن خط و افتادن خط بر روی زمین میگردد که در این صورت خطای زمین اتفاق میافتد که این گونه مواقع خطا به صورت ماندگار باقی خواهد ماند و باید مسیر خط جهت تعمیر ایزوله گردد.
-2-2 معادلات استخراجی
با توجه به شکل - 1 - ولتاژ خازن در ریزشبکه با معادله دیفرانسیل زیر مدل میگردد.
