بخشی از مقاله
چکیده
با افزایش کاربرد سیستم های فتوولتائیک، شاهد جایگزین شدن روزافزون این سیستم ها به جای پلنت های مرسوم نیروگاهی، هستیم . متفاوت بودن نوع عملکرد اینورترها و ژنراتورهای مرسوم، می تواند باعث ایجاد بحران در پایداری شبکه شود . در این مقاله به بررسی، رفتار ژنراتورهای سنکرون مجازی، پیاده سازی و طبقه بندی منظم روش های حفظ پایداری، و بررسی مزایا و معایب هر کدام خواهیم پرداخت . گفتنی است که انعطاف پذیری اینورترها اجازه اضافه کردن تجهیزات خاصی را به منظور بهبود عملکرد، به ما خواهد داد .
.1 مقدمه
هرچند که امروزه سیستم های فتوولتائیک به عنوان یک سیستم اقتصادی و مقرون به صرفه شناخته می شوند، اما همچنان درصد کمی از توان شبکه قدرت را تأمین می کنند . [1-2] از این رو، شاهد کاربرد روزافزون این سیستم ها در شبکه هستیم . می دانیم که سیستم های تولید فتوولتائیک بر اساس مبدل های الکترونیکی کار می کنند و مشخصه دینامیکی متفاوتی دارند . این موضوع، باعث ایجاد یک چالش در چگونگی استفاده از این سیستم ها در شبکه و کنترل آنها در کنار ژنراتورهای سنکرون مرسوم که از کیفیت توان خوبی برخوردارند شده است . [3]
مشکلات کیفیت توان و مدیریت انرژی این سیستم ها، از مشکلات استفاده آنها در شبکه است . در ابتدا می بایست اشاره داشت که کاهش اینرسی موجب استفاده از مبدل های جبرانساز اینرسی در سیستم قدرت می شود . زمانی که اینرسی به عنوان یک فاکتور مهم در جبرانسازی سیستم قدرت، پایداری فرکانس، پایداری نوسانات و انحراف فرکانس تأثیر غیر مطلوب می گذارد [4-5]، بهتر است که اینورترها به منظور تامین پایداری شبکه، در پروسه تنظیم ولتاژ و فرکانس شرکت داده شوند .
[6-9] از طرفی، ژنراتور های بزرگ در صورت اتصال یک بار غیر خطی به شبکه، به تولید جریان هارمونیکی می پردازند . این در حالی است که مبدل هایی که کنترل کلاسیک دارند، با تزریق جریان سینوسی در شبکه به تنظیم قدرت - توان - اکتیو و راکتیو می پردازند. گفتنی است که سیستم های فتوولتائیک بر کیفیت ولتاژ نیز تأثیر می گذارند، بنابراین اینورترها بایستی قادر به تولید یک جریان غیرخطی با هدف بهبود کیفیت توان باشند.
رفتار مبدل ها در مقابل سقوط ولتاژ را مطالعه کردیم و نتیجه آن بهبود گذر از ولتاژ کم - LVRT - در کنترل اینورتر بود.. [10] هرچند که هنوز تحقیقات زیادی با رویکردهای مختلف از جمله تزریق توان راکتیو در هنگام بروز خطا، بازیابی ولتاژ بعد از برطرف کردن خطا، جریان خطا و هماهنگی حفاظت سیستم نیاز است .[11-14] برای مشکلات گفته شده، روش های کنترلی ژنراتورهای سنکرون، توسعه یافته است.
این روش ها در واقع به پیاده سازی رفتار یک ژنراتور سنکرون بر روی اینورتر می پردازد. در [15]، به بررسی چهار روش مختلف پرداخته، و رفتار ژنراتور سنکرون مجازی در کنترل فرکانس بررسی شده است . از آنجا که ژنراتور سنکرون مجازی یک تکنولوژی نوپا است، بهتر است که مطالعه بیشتری بر روی این موضوع به منظور توسعه ی مرزهای این تکنولوژی صورت گیرد. در همین راستا، [16] به طبقه بندی ژنراتورهای سنکرون مجازی بر اساس پارامتر های مدل های واقعی ژنراتور سنکرون - ولتاژ،جریان و توان - و به مقایسه نظریه ماشین سنکرون مجازی با کنترل کننده دروپ در دیگر شبکه ها می پردازد .
هدف این مقاله طبقه بندی مدل های مختلف بر اساس مشخصه های ژنراتورهای سنکرون و بررسی مزایا و معایب هر مدل است . در ساختار بعضی از ژنراتورهای مجازی با هدف افزایش پاسخ دهی دینامیکی،با اضافه کردن تجهیزات جدید به رفتار و عملکرد ژنراتورهای مرسوم دست خواهیم یافت . و باید در نظر داشت که پس از اجرایی کردن این تغییرات، بایستی به مطالعه و بررسی بهبود عملکردی ژنراتورهای سنکرون مرسوم باید پرداخت .
.2 مدل موتورهای جریان مستقیم بدون جاروبک
یکی از اساسی ترین مشکلات جایگزینی سیستم های فتوولتائیک با ژنراتورهای مرسوم، کمبود اینرسی در اینورترها است. همانطور که می دانیم، اینورترها به دلیل محدودیت ها و تغییرات فرکانس شبکه نقش مهمی را در پایداری سیستم های قدرت اجرا می کنند . بنابراین، نتایج جایگزین کردن این ژنراتورها با ژنراتورهای سنکرون مرسوم، با مشکل کاهش اینرسی در سیستم قدرت و افزایش تغییرات فرکانس شبکه مواجه هستیم .
برای حل این مشکل،بعضی از پروژه های ژنراتورهای سنکرون مجازی بر اساس معادله نوسان ژنراتور سنکرون معادلشان، به اضافه کردن اینرسی به مبدل می پردازند . هدف اصلی ایسن سیستم ها، تولید نیروی محرکه مجازی ژنراتور سنکرون در خروجی اینورتر است. این هدف با کنترل دامنه و فاز و با استفاده از معادله شماره - 1 - بدست می آید .
در معادله بالا ممان اینرسی ژنراتور سنکرون ، و فرکانس زاویه ای روتور و شبکه، و به عنوان گشتاور مکانیکی اعمال شده به شفت روتور و گشتاور الکترومغناطیسی استاتور و ضریب جبرانساز می باشد . ضریب استفاده شده به منظور مدل سازی سیم پیچ های جبرانساز ژنراتور سنکرون در حوالی نقطه کار، و یا حتی شبیه سازی کنترل دروپ در معادله نوسان نشان داده شده در [16-17] استفاده شده است . گفتنی است که پیاده سازی معادله نوسان به منظور آشکار سازی فاز نیرو محرکه مجازی در شکل شماره 1 نشان داده شده است .
در این مدل به عنوان توان اکتیو مرجع اینورتر و به عنوان فرکانس زاویه ای نامی در شبکه می باشد . برای کنترل دامنه نیروی محرکه، توان راکتیو و یا کنترل حلقه ولتاژ می توان از [18] که معادل آن در شکل 2 نشان داده شده است استفاده کرد . در این معادل و به عنوان توان راکتیو مرجع و ولتاژ مرجع شبکه ، و مقادیر اندازه گیری شده هستند .
از دیگر تجهیزات آشکار ساز دامنه نیرو محرکه می توان به استفاده از حلقه ولتاژ و جریان آبشاری [19-20] و استفاده از مبدل مکانیکی به منظور اندازه گیری توان اکتیو یا جریان مرجع حلقه کنترلی اینورتر نام برد..[21-22] مدار معادل اینورتر با پیاده سازی مکانیکی ژنراتورهای سنکرون مجازی و ژنراتور سنکرون واقعی، در شکل 3 نشان داده شده است . که در این مدل بیانگر اندوکتانس شبکه و بیانگر اندوکتانس و مقاومت سیم پیچ های استاتور ، و بیانگر دامنه و فاز ولتاژ ترمینال استاتور می باشد . توان اکتیو انتقالی از اینورتر به شبکه - - در شکل شماره 3 را می توان به صورت معادله شماره - 2 - بیان کرد .
با توجه به شکل شماره 4، پیاده سازی معادله نوسان در حلقه کنترل توان می تواند تأثیر مطلوب و غیر مطلوبی بر روی پاسخ گذرای سیستم داشته باشد . قابل مشاهده است که با انتخاب مناسب ضریب جبرانساز و اینرسی، نوسانات توان را می توان محدود و حتی خنثی کرد که در نهایت، تأثیرمطلوبی را بر روی نوسانات فرکانس شاهد هستیم . لازم به ذکر است که، به منظور کنترل نوسان توان، بایستی از یک سیستم ذخیره انرژی استفاده کرد و اندازه این سیستم برای تنظیم پارامترها تعیین می شود . همچنین معادلات در حلقه کنترل اینورتر به بهبود پاسخ گذرا در مقابل نوسانات فرکانس یا نوسانات توان می پردازد.
رفتار غیرمطلوب ژنراتور سنکرون واقعی نیز پیاده سازی می شود . این رفتار ها شامل امکان عدم سنکرونیزم در سقوط ولتاژ که در شکل 5 نشان داده شده است، می باشد . اگر هیچ گونه تجهیزاتی به سیستم اضافه نشود، توان اکتیو دریافتی در زمان سقوط ولتاژ معمولاً صفر است. بنابراین، سرعت روتور مجازی در صورت عدم تطابق با مرجع و توان واقعی، افزایش می یابد. زمانی که ولتاژ نسبت به پارامترهای ماشین سنکرون مجازی و مدت زمان سقوط ولتاژ به حالت اولیه باز می گردد، سیستم امکان از دست دادن کنترل فاز نیرو محرکه را دارد .
در نتیجه نوسانات کنترل نشده ای در توان خروجی رخ می دهد و نیاز به قطع اینورتر از شبکه می باشد . علاوه بر این، مدل مکانیکی ژنراتور سنکرون مجازی یک روش شناخته شده برای افزایش پایداری فرکانس می باشد . همچنین این مدل اجازه پیاده سازی کنترل دروپ در حلقه مکانیکی را می دهد، اما این در صورتی است که مشخصه های الکتریکی ژنراتور سنکرون به طور کامل امکان پیاده سازی را ندارند . برخی از مشکلات این مدل مشکلات کیفیت توان - هارمونیک ها - ، جریان خطا و غیره می باشد.
