بخشی از مقاله
چکیده _
پیچیدگی روز افزون سیستم های قدرت، در کنار پیشرفت ادوات الکترونیک قدرت و منابع تولید پراکنده، اهمیت تشخیص پدیده های مختلف و مخرب از جمله حالت جزیره ای را در سیستم های قدرت، صد چندان نموده است. در این مقاله، روشی جدید مبتنی بر تبدیل موجک سیگنال ولتاژ، به منظور تشخیص حالت جزیره ای ارائه می شود. این روش در کنار سادگی و سرعت، دقت بسیار زیادی دارد. در کنار خصوصیات فوق، شاخص ارائه شده، قابلیت تمایز سایر پدیده های موجود در شبکه، از جمله اتصال کوتاه، بالا زدگی و فروافتادگی ولتاژ و تغییرات بار را نسبت به حالت جزیره ای دارا بوده و احتمال تشخیص اشتباه را تا حد زیادی کاهش می دهد.
واژههای کلیدی — تشخیص جزیره ای؛ تولید پراکنده؛ نواحی غیرقابل تشخیص ؛ تبدیل موجک
-1 مقدمه
اهمیت و رواج بهکارگیری منابع تولید پراکنده و تجدیدپذیر در شبکهی توزیع به سرعت در حال افزایش است. یکی از مهمترین چالشهای سیستمهای تولید پراکنده ی متصل به شبکه اعم از فتوولتاییک، بادی، دیزل و ... وقوع حالت جزیره ای است که در آن قسمتی از شبکه از مابقی شبکه جدا شده، ولی توسط منابع تولید پراکنده به کار خود ادامه میدهد. از آنجا که کارکرد شبکه ی جزیره ای شده خطرناک است و میتواند مشکلات بسیاری در شکل :1 دستهبندی کلی روشهای تشخیص حالت جزیرهای [5] شبکه ایجاد نماید، حفاظت ضد جزیرهای برای اینورترهای متصل به شبکه یک ویژگی مهم و الزامی محسوب میشود و زمان سپری شده بین لحظهی ایجاد حالت جزیرهای و لحظهی آشکارسازی آن Run on Time نام دارد.
این زمان برای یک روش تشخیص جزیره ای باید کمتر از مقدار مشخص شده در استاندارد باشد. این زمان در استاندارد با توجه به عوامل متعددی مانند وجود یا عدم وجود رلههای با بازبست تعیین میگردد و از آنجا که شرایط سیستمهای قدرت در کشورهای مختلف متفاوت است، هنوز استاندار جهانی برای Run on Time وجود ندارد. جدول 1 موید این مطلب است. در این مقاله روشی جدید برای تشخیص حالت جزیره ای از سایر خطاهای مرسوم شبکه مبتنی بر تبدیل موجک رائه خواهد شد . بدین منظور، ابتدا بحثی راجع به ماهیت تبدیل موجک و کاربرد آن در تشخیص حالت جزیره ای خواهد شد، سپس مدل ارائه شده مورد بحث قرار می گیرد. در ادامه شاخص مورد نظر ارائه شده و در نهایت نتایج تشخیص خطا مورد بحث و بررسی قرار می گیرد.
-2 تبدیل موجک و کاربرد آن در تشخیص حالت جزیره ای
با توجه به نقصهایی که تبدیل فوریه در زمینه تشخیص خطا در سیستم ها داشت، توجه محققین به سوی تبدیل موجک جلب شد. این تبدیل یک تبدیل ریاضی مبتنی بر تبدیل یک سیگنال به انواع مقیاس بندی و جابجا شده یک تابع دیگر - Mother Wavelet - است .[6] تبدیل موجک یک سیگنال به صورت مجموع چند تابع که این توابع، جابجا شده و مقیاس بندی شدهی یک تابع اصلی هستند نوشته میشود .[7] مهمترین دلیل استفاده از تبدیل موجک بالا بودن همزمان وضوح و دقت زمانی و فرکانسی این تبدیل است. تبدیل موجک قادر به نشان دادن برخی از خصوصیات سیگنال است که سایر تبدیلات توانایی نشان دادن آن را ندارند و حین تبدیل این خصوصیات را از بین میبرند.
از این خصوصیات میتوان: شیبهای زیاد در تابع، نقاط شکست در تابع، ناپیوستگی مشتقات مرتبه بالای تابع، نقاط ماکزیمم نوک تیز تابع و خود مشابهی - self similarity - تابع را نام برد . با توجه به نکات بیان شده و در یک جملهی صریح و واضح می توان گفت که تبدیل موجک یک دید جزئی و کاملاً منطقهای از تابع ارائه میدهد. این خاصیت دقت کار را بالا میبرد در حالی که تبدیلی همانند فوریه یک دید کلی از یک پریود سیگنال ارائه میدهد.[8] هر تابعی که به عنوان موجک به کار گرفته میشود، دارای میانگین صفر و انرژی واحد است. مطابق آنچه قبلاً گفته شد، تبدیل موجک یک شمای زمانی، فرکانسی از سیگنال ارائه میکند که در جهت مقابل روش های مبتنی بر فوریه که ابعاد پنجره در آن ها ثابت است، در این تبدیل ابعاد پنجرهها متغیر است که این تغییر ابعاد خصوصیت های شگرفی را برای این تبدیل در پی خواهد داشت.
-1-2 تبدیل موجک گسسته
مفهوم گسسته بودن به مقادیر مقیاس و جابجایی اشاره دارد. تبدیل موجک گسسته شامل نمونه برداری از پارامترهای جابجایی و مقیاس است و به خود تابع در قدم اول اثری ندارد. این امر باعث وضوح فرکانسی بالا در فرکانسهای پایین و وضوح زمانی به بالا در فرکانسهای بالا میشود. تبدیل ریاضی تبدیل موجک گسسته به صورت زیر تشریح میشود. تبدیل موجک گسسته سیگنال x از طریق عبور این سیگنال از یک بانک فیلتری حاصل میشود. اول نمونه از یک فیلتر پایین گذر با پاسخ ضربه g عبور میکند و حاصل این دو است. نمونه همچنین از یک فیلتر بالا گذر با پاسخ ضربه h عبور خروجی فیلتر بالاگذر سیگنال جزئی - Detail - است و ضریب جزئی از آن حاصل میشود و خروجی فیلتر پایینگذر سیگنال تخمین - Approximate - است و ضریب تخمین از آن به دست میآید. نکتهی مهم بعدی در مورد فیلترها این است که این دو فیلتر به هم مربوط هستند. در شکل 2 مراحل به دست آوردن تبدیل موجک گسسته از روش فیلترهای پی در پی - Cascade filter - دیده میشود.
- 2-2 کاربرد تبدیل موجک برای تشخیص حالت جزیره
با توجه به مطالعات صورت گرفته در زمینه تشخیص جزیرهای شدن، روش های پسیو تشخیص خطا بر مبنای ابزار پردازش سیگنال به کار رفته در روش به صورت زیر دسته بندی میشود .[9] سری و مقاومت ترانسفورماتور واسط - در صورت استفاده - باشد. اندوکتانس معادل نشانگر اندوکتانس فیلتر سری و اندوکتانس نشتی ترانسفورماتور واسط - در صورت استفاده - است. در [10] از تغییرات توان خروجی یک سیستم تک فاز برای تشخیص حالت جزیرهای استفاده شده است.
در این روش توان خروجی DG به عنوان ورودی تبدیل موجک گسسته به کار رفته است و در به کمک سیگنالهای خروجی سطح پنجم تبدیل موجک، ضرایبی جهت تشخیص خطا به دست آمده است. در [11] از انرژی سیگنال سطح دوم تبدیل موجک ولتاژ سیستم جهت تشخیص خطا استفاده شده است. در این روش تابع موجک مادر db4 انتخاب شده است. بر مبنای این روش، حالت جزیرهای زمانی اتفاق میافتد که ضرایب به دست آمده از مقدار مشخصی افزایش یابد. در این روش و روشی که در [12] به کار رفته است، به نحوهی انتخاب تابع موجک مادر و همچنین ساختار تعیین باند فرکانسی مورد نظر اشارهای نشده است.
-3 شبیه سازی منابع تولید با واسط مبدل الکترونیک قدرت
این نوع منبع تولید پراکنده شامل دو بخش، یکی مدار قدرت مبدل و دیگری مدار کنترلی آن است. شکل زیر دیاگرام شماتیک چنین منبع تولید پراکندهای را که به قسمتی از شبکهی توزیع متصل شده است، نشان میدهد . سمت شین dc در این منبع تولید پراکنده بصورت یک منبع ولتاژ dc در نظر گرفته شده است. طرف ac نیز به صورت یک مدار سه فاز با عناصر سری مقاومت واندوکتانس نشان داده می شود. مقاومت معادل میتواند شامل تلفات حالت هدایت کلیدها، مقاومت فیلتر در شرایط وصل به شبکه ی اصلی، مبدل توسط یک کنترل کنندهی جریان محورهای dq که با بردار ولتاژ نقطهی اتصال مشترک با شبکه سنکرون شده، کنترل می شود. در نتیجه مبدل در واقع به عنوان یک منبع جریان کنترل شده عمل میکند . با این وجود این کنترل کننده تنظیم ولتاژ و فرکانس را به شبکهی اصلی واگذار میکند .
یعنی فرکانس خروجی مبدل 50 یا 60 هرتز است تنها به این دلیل که با بردار ولتاژ نقطه اتصال سنکرون شده است. این بردار ولتاژ با فرکانسی که توسط شبکه ی اصلی به آن تحمیل میشود میچرخد . هنگامی که منبع از شبکهی اصلی جدا میشود و در شرایط جزیرهای قرار میگیرد این کنترل کافی نیست و منبع باید بدون کمک شبکهی اصلی ولتاژ و فرکانس خود و بار را تنظیم کند. در این سیستم یک منبع تولید پراکنده با محرک اولیهی ولتاژ dc ضمن تغذیهی بار محلی خود از طریق یک ترانسفورماتور به شبکهی توزیع فشار ضعیف 208 ولت متصل شده است - شکل . - 5 در این حالت کنترل ولتاژ و فرکانس را شبکه ی اصلی انجام میدهد و مبدل DC/AC به عنوان یک منبع جریان کنترل شونده عمل میکند.
