بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله یک استراتژی کنترل بهینه توان برای بهبود کیفیت توان فرآهم شده در میکروگرید پیشنهاد می گردد. این کنترل کننده شامل یک حلقه کنترل جریان داخلی و یک حلقه کنترل توان خارجی می باشد که بر اساس چارچوب مرجع سنکرون و تنظیم کننده های تناسبی- انتگرالی - - PI سنتی می باشد. حلقه کنترل توان می تواند در دو حالت کار کند:
حالت کنترلی توان بر اساس ولتاژ- فرکانس و حالت کنترلی توان اکتیو و راکتیو. روش بهینه سازی اجتماع ذرات - - PSO یک روش جستجوی هوشمند می باشد که در این مقاله برای خود تنظیمی بلادرنگ پارامترهای کنترل توان اعمال شده است. در حالت عملکرد خودگردان میکروگرید، کنترل کننده توان بر اساس ولتاژ- فرکانس برای واحد تولید پراکنده مبتنی بر اینورتر پیشنهاد می گردد.
نتایج ولتاژ و فرکانس رضایت بخش، پاسخ دینامیک بالا و یک سطح قابل قبولی از اعوجاج هارمونیکی را نشان می دهند. نتیجتا این تحقیق نشان می دهد که میکروگرید می تواند بعنوان یک واحد تولید قابل کنترل برای پشتیبانی شبکه اصلی با موفقیت کار کند، بنابراین وابستگی به یک سیستم قدرت بزرگ را کاهش می دهد و نفوذ میکرومنابع به بازار برق را افزایش می دهد.
-1 مقدمه
حفاظت از محیط زیست، عوامل اقتصادی، بقای منابع انرژی و مشکلات فنی منجر به ظهور میکروگرید بعنوان یک شبکه تولید الکتریسیته جدید در مقیاس کوچک شده است.
منابع انرژی کوچکتر را در یک میکروگرید معمولا واحدهای تولید پراکنده - - Distributed generation units می نامند که همچنین می تواند شامل سیستمهای ذخیره کننده انرژی باشند. منابع تولید پراکنده توانی تا حدود MW10 دارندو می توانند بطور مستقیم به شبکه توزیع از طریق مبدل الکترونیک قدرت متصل شوند و میکروگرید را شکل دهند. میکروگرید یک نوآوری جدید بعنوان یک شبکه تولید انرژی در مقیاس کوچک می باشد که می تواند یک فراساختار تکمیلی به شبکه اصلی باشد تا کمک کند مشکلات ناشی از افزایش سریع تقاضای بار مرتفع گردد.
شکل 1 انواع معمول واحدهای تولید پراکنده را دسته بندی می کند. میکروگریدها شامل دسته ای از واحدهای تولید پراکنده می باشند که بخشی از یک سیستم توزیع توان الکتریکی را در بر گرفته اند و ممکن است که متکی به منابع مختلف انرژی باشند. میکرو توربین ها ژنراتورهای سنتی کوچکی می باشند که از توربین های احتراقی استفاده می کنندو ممکن است گاز، پروپان، گازوییل و دیگر سوختهای مایع و یا گاز استفاده نمایند. آنها معمولا شامل یک ژنراتور، توربین کوچک، کمپریسور و محفظه احتراق می باشند. میزان توان و حجم آنها معمولا بترتیب بین 500- 200 KW و 3m1-0.4 می باشد.
در یک میکروگرید، مشکلات مربوط به کیفیت توان، قابلیت اطمینان و پایداری عملکرد سیستم را دچار چالش می کند. اغتشاشات اعمالی به توان تولید شده، اعم از اغتشاشات مربوط به ولتاژ، فرکانس، توان اکتیو، توان راکتیو، اعوجاج هارمونیکی و پاسخ دینامیکی میتواند عملکرد میکروگیرد را در هر دو مد جزیره ای و متصل به شبکه تحت تاثیر قرار دهد. کنترل کننده با فرکانس سوییچینگ متغیر: این بعنوان یک کنترل کننده هیسترزیس آزاد گرد شناخته می شود و مزایای اصلی آن پاسخ دینامیکی برجسته و نبود خطاهای ردیابی می باشد. به آسانی قابل اجرا می باشد و به تغییرات پارامتر بار وابسته می باشد. با اینحال جریان بطور مستقل با یک تاخیر زمانی کنترل می شود و بردارهای ولتاژ صفر نمی توانند تولید شوند. در نتیجه یک ریپل بالا در جریان و اعوجاج هارمونیکی کلی بالا می تواند اتفاق افتد
شکل 1انواع واحدهای تولید پراکنده
شکل 2 فلوچارت الگوریتم بهینه سازی اجتماع ذرات
در حالت عملکرد خودگردان میکروگرید، کنترل کننده توان بر اساس ولتاژ- فرکانس برای واحد تولید پراکنده مبتنی بر اینورتر پیشنهاد می گردد.
کنترل کننده با فرکانس سوییچینگ ثابت: این نوع کنترل کننده بمنظور بر طرف کردن معایب کنترل کننده قبل توسعه داده شده است. دامنه باند تلورانس بر اساس ولتاژ طرف AC یا توسط تکنیک حلقه فاز قفل شده - - Phase Locked Loop کنترل می شود
همچنین این کنترل کننده می تواند سیگنال خطا را از طریق کم کردن یک سیگنال تداخلی که از ولتاژ اینورتر گرفته می شود، جدا کند. بنابراین مشکل تداخل و تاثیرات آن می تواند حذف شود. برای تنظیم توان خروجی اینورتر کنترل بر روی شارش توان اکتیو و راکتیو، ضروری می باشد. این روش کمک می کند که واحدهای تولید پراکنده متصل به هم عملکرد مطمئنی داشته باشند
پایداری سیستم تحت شرایط کاری موجود یک موضوع مهم برای عملکرد میکروگرید می باشد. مدل دینامیکی کل سیستم از معادلات فضای حالت خطی شده که هر عنصر سیستم را تعریف می کند، بدست می آید. بعد از مدل سازی، از طریق محاسبات مقادیر ویژه پایداری سیستم آنالیز می گردد
آنالیز پایداری عملکرد میکروگرید توسط محققین زیادی انجام شده است. موضوع کیفیت توان قابل ملاحظه می باشد بطوریکه مستقیما مشخصات عملکردی میکروگرید را تحت تاثیر قرار می دهد. این مسئله می تواند بعنوان یک رخداد کوتاه مدت تا بلند مدت از نامناسب بودن یا ناپایدار بودن خروجی های توان توسط میکروگرید تعریف شود. در مد کارکرد جزیره ای میکروگرید، ولتاژ و فرکانس سیستم بایستی توسط خود میکروگرید تثبیت گردد در حالیکه بخاطر تنوع مشخصات اجزای میکروگرید ممکن است سیستم دچار فروپاشی شود.
همچنین اعوجاج هارمونیکی شکل موج توان خروجی یک مشکل جدی می باشد که اغلب بخاطر عملکرد سریع سوییچ های مبدل ها رخ دهد. . بنابراین در این مقاله یک استراتژی کنترل بهینه توان برای بهبود کیفیت توان فرآهم شده در میکروگرید پیشنهاد می گردد. این کنترل کننده شامل یک حلقه کنترل جریان داخلی و یک حلقه کنترل توان خارجی می باشد که بر اساس چارچوب مرجع سنکرون و تنظیم کننده های تناسبی- انتگرالی - - PI سنتی می باشد.
حلقه کنترل توان می تواند در دو حالت کار کند: حالت کنترلی توان بر اساس ولتاژ- فرکانس و حالت کنترلی توان اکتیو و راکتیو. روش بهینه سازی اجتماع ذرات - - PSO یک روش جستجوی هوشمند می باشد که در این مقاله برای خود تنظیمی بلادرنگ پارامترهای کنترل توان اعمال شده است.
-2 الگوریتم بهینه سازی اجتماع ذرات
شکل 2 فلوچارت الگوریتم بهینه سازی اجتماع ذرات را نشان می دهد. این الگوریتم یک روش تکراری می باشد که فضای جواب را جستجو می کند تا جواب بهینه ای را برای یک تابع هدف - - Objective Function یا تابع برازندگی - - Fitness function تعیین کند. این الگوریتم خودش را بر اساس حرکت هر ذره بعنوان همکاری گروه ارزیابی می کند. هر ذره بر اساس بهترین اطلاعات خودش و تجارب اعضای گروه بطور تصادفی شروع به حرکت می کند . همچنین هر ذره تمایل به حرکت به سمت بهترین موقعیت سراسری حال حاضر Xgbest و بهترین موقعیت خودش Xpbest دارد
بنابراین قواعد اساسی این الگوریتم را می توان در سه مرحله اصلی توضیح داد:
-1 ارزیابی مقدار برازندگی هر ذره
-2 به روز کردن بهترین برازندگی سراسری - - Global و محلی - - Local و موقعیت ها
-3 به روز کردن سرعت و موقعیت هر ذره از لحاظ ریاضی فرآیند جستجو می تواند توسط معادلات ساده
ریاضی با استفاده از بردار موقعیت، Xi=[xi1, xi2, xi3, ...,xin] و بردار سرعت Vi=[vi1, vi2, vi3, ..., vin] در یک فضای جستجو با ابعاد مشخص، بیان شود. همچنین بهینه سازی جواب در الگوریتم PSO بستگی به موقعیت هر ذره و به روز کردن سرعت هر ذره با استفاده از معادلات زیر دارد :
که i اندیس هر ذره، Vik و Xik بترتیب سرعت و موقعیت ذره i ام در تکرار k ام می باشد. ثابت اینرسی می باشد که عددی است بین صفر و یک، c1 و c2 ضرایب شناسایی می باشد که اغلب بین صفر و دو انتخاب می شوند. r1 و r2 مقادیر تصادفی می باشند که برای به روز رسانی هر سرعت تولید می شوند. Xgbest بهترین موقعیت سراسری می باشد که تا کنون بر اساس تجارب گروه حاصل شده است. Xpbest بهترین موقعیت محلی هر ذره می باشد که تا کنون بر اساس بهترین موقعیت خود آن ذره بدست آمده است. همچنین هر عبارت معادله - 1 - می تواند بر حسب وظیفه آن بصورت زیر تعریف شود:
شتاب گرفتن همگرایی گروه به سمت موقعیت بهینه می شود و مقدار بالای آن باعث می شود که کل فضای جستجو مورد اکتشاف قرار بگیرد.
• دومین عبارت، ، عنصر شناسایی نامیده می شود که بیان کننده حافظه ذرات می باشد. ذرات تمایل دارند که به منطقه ای از فضای جستجو برگردند که بالاترین برازندگی را داشته باشند و ثابت شناسایی c1 اندازه گام ذرات را به سوی بهترین موقعیت محلی، Xpbest ، تحت تاثیر قرار می دهد.
• عبارت سوم، ، عنصر اجتماعی
نامیده می شود که وظیفه آن این است که ذره را به سمت بهترین موقعیتی که تا الان گروه پیدا کرده است، هدایت کند. ضریب اجتماعی c2 اندازه گام ذره را برای حرکت به سمت بهترین موقعیت سراسری، Xgbest ، تحت تاثیر قرار می دهد.
بر طبق رابطه - 2 - موقعیت هر ذره توسط سرعت جدید آن ذره و موقعیت قبلی آن به روز می شود. در این حالت برای پیدا کردن جواب بهینه سراسری، یک فرآیند جستجوی جدید بر روی فضای جستجوی به روز شده شروع می شود. این فرآیند آنقدر تکرار می شود تا معیار خاتمه یافتن آن حاصل شود. این معیار می تواند حداکثر تعداد تکرار یا یک مقدار مطلوب برای تابع هدف یا برازندگی باشد.
-3 مدل اینورتر منبع ولتاژ سه فاز متصل به شبکه
شکل 3 مدل اینورتر منبع ولتاژ سه فاز متصل به شبکه را به همراه یک فیلتر LC نشان می دهد. Rs و Ls بیان کننده مقاومت فشرده معادل و اندوکتانس فیلتر می باشند. C خازن فیلتر و Vs ولتاژ شبکه می باشد.
• اولین عبارت، 9ik ، عنصر اینرسی نامیده می شود. وظیفه این عنصر این است که ذرات را وادار می کند که در یک جهت یکسان جستجو کنند.
