بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، از باتری بعنوان ذخیره ساز انرژی در ریزشبکه های هایبرید بادی و دیزل استفاده شده است و هدف کنترل فرکانس و توان اکتیو در این ریزشبکه است. به این صورت که ابتدا از کنترلر کلاسیک PID جهت کنترل فرکانس استفاده شده و سپس به کمک کنترلر پیشنهادی در این مقاله که کنترلر فازی است ضرایب کنترلر کلاسیک PID، بهبود یافته است. دلیل استفاده از کنترلر فازی پیچیدگی سیستم مورد مطالعه و رفتار متغیر بار می باشد.
نکته مهم در مورد سیستم مورد مطالعه اینست که بعد از رخ دادن خطای سه فاز در ثانیه سوم ریزشبکه از شبکه اصلی جدا و دچار ناپایداری میگردد و نکته دیگر اینست که بار فرعی فقط در پنج ثانیهی ابتدایی در سیستم حضور دارد و دلیل این موضوع صحت کارکرد بخش ذخیرهساز باتری و بخش DC می باشد. نتایج شبیهسازی نشان می دهد که کنترلر فازی پیشنهادی تاثیر موثرتری نسبت به کنترلرPID معمولی دارد.
پاسخ سریع، حداقل اورشوت و زمان مناسب در رسیدن به پایداری از مزایای کنترلر فازی پیشنهادی است که منجر به تعادل بهتر توان اکتیو و راکتیو می شود. از طرفی نکته مهم دیگری که در بحث سیستم ذخیره سازی انرژی توسط باتری مطرح است کنترل داشتن بر روی میزان شارژ باتری است. کنترلر فازی پیشنهادی تاثیر مناسب تری نسبت به کنترلر کلاسیک PID، در ثابت نگه داشتن میزان شارژ باتری داشته است.
.1 مقدمه
ریز شبکه ها، شبکههایی با مقیاس کوچک در سطح فشار ضعیف هستند که از منابع تولید پراکنده و بارهای مختلف در سطح ولتاژ توزیع تشکیل شدهاند. ریزشبکهها جهت تولید توان در سطح ولتاژ توزیع از ژنراتورها یا منابع کوچک تولید انرژی، که عمدتا از نوع انرژی تجدیدپذیر میباشند، استفاده میکنند. قابلیت انعطاف پذیری در ریزشبکهها این امکان را فراهم میسازد که بصورت یک واحد کنترل شده مستقل، به شبکه اصلی متصل شوند و نیازهای قابلیت اطمینان و کیفیت توان شبکه را برطرف نمایند.[1] در آمریکا، ژاپن، کانادا و اروپا آزمایشگاههای بسیاری جهت مطالعه کنترل و بهرهبرداری ریزشبکهها تاسیس گشته است.
فاکتورهای اصلی تاثیرگذار بر پایداری ریزشبکه عبارتند از: استراتژیهای کنترل منابع پراکنده و وسایل ذخیرهساز انرژی، انواع بارهای موجود در ریزشبکه، مکان خطاهای رخ داده و ثابت اینرسی موتورهای موجود در ریزشبکه.[ 3] جهت بهرهبرداری از ریزشبکه، بایستی از اطلاعات محلی جهت کنترل منابع تولید پراکنده و وسایل ذخیرهساز انرژی استفاده نمود. استراتژیهای کنترلی رایج در ریزشبکه ها در [4] آورده شده است. طرحهای کنترل بر مبنای اینکه کدام خروجی واحد DG کنترل گردد در [5] تشریح شدهاند.
عناصر مهم در آنالیز پایداری ریزشبکهها پایداری ولتاژ و پایداری فرکانس میباشند. آنچه که اهمیت دارد این است که کنترل و مدیریت توان اکتیو و راکتیو تمامی واحدهای DG روی پایداری فرکانس-ولتاژ، کیفیت توان و سرویس به مصرفکنندگان در ریزشبکه تأثیر مستقیم دارد.[7-6] در صورت استفاده از منابع پراکنده دارای انرژی تجدیدپذیر مانند مزارع بادی و خورشیدی که توان خروجی آنها پیوسته در حال نوسان است، تغییرات زیاد در ولتاژ و فرکانس شبکه ایجاد میگردد
در سیستمهای ترکیبی، بدلیل طبیعت نامنظم انرژی باد و/یا خورشید میتوان سیستم تامین انرژی را با نصب عناصر ذخیرهکننده انرژی و یا مکمل مناسب آن یعنی نصب دیزل ژنراتورها کامل نمود. دیزل ژنراتور در اینجا برای مبدل انرژی باد، به عنوان یک شبکه مصنوعی محسوب شده و در مقابل نوسانات فرکانس و ولتاژ بدلیل تغییرات سرعت باد، تابش خورشید یا بار مقابله مینماید. در این سیستمها دیزل ژنراتور بعنوان عضوی از کنترلر سیستم محسوب شده و فرکانس را توسط گاورنر و ولتاژ را توسط AVR ژنراتور سنکرون کوپل شده به آن، کنترل می-نماید
همچنین، استفاده از ذخیرهسازهای انرژی در یک ریزشبکه موجب بهبود پایداری سیستم میگردد بطوریکه علیرغم نوسانات شدید در توان تولیدی مزارع بادی، خورشیدی یا توان مصرفی بار، پایداری سیستم را به همراه دارد. علاوه بر موارد فوق، تامین توان در حالت-های گذرای شبکه مانند فاصله زمانی قطع و وصل شبکه MG از سیستم توزیع، راهاندازی واحدهای تولید - دیزل ژنراتور، کوچکتوربین، پیل سوختی و ... - و تغذیه توان با کیفیت بالا برای بارهای حساس با حضور ذخیرهسازهای انرژی بطور مطلوبی انجام میگیرد.[10] در [11] مدلهای دینامیکی سهفاز برای ژنراتورهای القایی، میکروتوربینها، توربینهای بادی و در [12] مدلهای دینامیکی تکفاز برای ژنراتورهای القایی، سیستمهای فتوولتائیک، پیلهای سوختی و اینورترها بصورت جزیی بررسی شدهاند.
پایداری فرکانس موضوع مهمی در پایداری ریزشبکهها میباشد. لذا، این مقاله بر مبحث پایداری فرکانس ریزشبکهها تدوین گشته و تکنیکهای مختلف را جهت کنترل و پایداری ریزشبکهها در شرایط بهرهبرداری مختلف در اختیار میگذارد. در این مقاله ابتدا از یک کنترلر کلاسیک تحت عنوان PID استفاده شده و سپس بسته به رفتار سیستم مورد مطالعه کنترلر فازی مورد استفاده قرار گرفته است. در واقع کننترلر پیشنهادی، کنترلر فازی است و دلیل استفاده از آن پیچیدگی سیستم مورد مطاله و رفتار متغیر بار می باشد. به علت نوسانات در توان تولیدی توربین های بادی، تاثیر ذخیره ساز باطری بر پایداری سیستم، مورد مطالعه قرار گرفته است.
.2 مشخصات سیستم مورد مطالعه
سیستم مورد مطالعه در این مقاله در شکل 1 آورده شده است. این سیستم، ریزشبکهای با آرایش موازی بوده که قابلیت عملکرد در حالت عملکرد جزیرهای را داراست.[2] از دو واحد تولید پراکندهی توربین بادی و دیزل، سیستم ذخیره ساز انرژی همراه با بار خطی و ماشین سنکرون کوپل شده به موتور دیزلی تشکیل شده و دارای دو بخش کلی سیستم سه فاز و DC می باشد که در تبادل توان با یکدیگر به وسیله یک کنترلر مرکزی به نام کنترل کننده توان اکتیو می باشد. دو واحد تولید پراکنده بادی و دیزل در ابتدا در تعامل با شبکهی اصلی بار 175kw ثابت و 125kw متغیر را تغذیه میکنند.
قبل از رخ دادن خطای سه فاز در خط انتقال، ریزشبکه متصل به شبکهی اصلی است و ناپایداریها در ریز شبکه در کمترین حد ممکن قرار دارد. در ثانیهی سوم خطای سه فاز به سیستم اعمال میشود و ریزشبکه از شبکه اصلی جدا و به اصطلاح در حالت جزیره ای قرار می گیرد و بطور یقین دو پارامتر حساس ولتاژ و فرکانس ریزشبکه دچار ناپایداری خواهند شد. چون این دو به پارامترهایی نظیر سرعت و توان وابسته هستند و جدا شدن ریزشبکه از شبکه اصلی سرعت دیزل ژنراتور را بطور قابل محسوسی تحت پوشش قرار میدهد.
البته باید متذکر شویم که دیزل بعد از رخ دادن خطا به عنوان یک کنترل کننده مرکزی عمل کرده و تا حدودی از این ناپایداری جلوگیری خواهد نمود چه بسا اگر واحد تولید پراکندهی دیگری به جای دیزل قرار داشت، شاهد این موضوع نبودیم. نکته مهم راجع به این سیستم این است که بار فرعی فقط در پنج ثانیهی ابتدایی در سیستم حضور دارد و دلیل این موضوع صحت کارکرد بخش ذخیرهساز باطری و بخش DC می باشد.اتفاقاتی که برای توازن توان در شبکه رخ می دهد به سه صورت میباشد. در حالت اول میزان تولید این دو واحد DG با میزان توان مصرفی شبکه برابر می باشد که در این حالت شبکه در کارکرد عادی خود عمل می کند.
در دو حالت بعدی که بالانس بین تولید و مصرف شبکه برقرار نیست سیستم نیاز به یک بخش DC دارد که این بخش شامل کنترل کنندههایی است که بخش AC بتواند با آن تعامل داشته باشد. ذخیره ساز انرژی در سیستم شبیه سازی شده، باطری می باشد و به این صورت عمل می کند که زمانی که توان در سیستم AC افزایش یابد انرژی اضافی وارد باطری می شود و مادامیکه توان در سیستم AC کاهش یابد با دریافت انرژی از باطری این نقصان توان برطرف می گردد. این مکانیزم توسط کنترل کننده توان انجام می شود. بعضی از المانهای استفاده شده در شبیهسازی خود تا حدودی نقش کنترلی دارند. سه بخش کنترلی این سیستم به صورت زیر می باشد:
- 1 بخش گاورنر کوپل شده به موتور دیزلی برای کنترل فرکانس
- 2 بخش کنترل ولتاژ به منظور کنترل ولتاژ شبکه
- 3 کنترلر توان اکتیو در شبکه که به صورت کنترلر فازی-PID تعبیه شده است.
شکل - 1 سیستم مورد مطالعه
دو مورد اول جزء کنترلرهای متداول در انواع شبکههای جزیرهای شده می باشند و در واقع از بخش های لاینفک در شبکههای این چنینی محسوب میشوند، هر دو کنترلر در کوپل با ماشین سنکرون می باشند و گاورنر با ایجاد توان مکانیکی به کنترل فرکانس شبکه و عدم فروپاشی ولتاژ شبکه میپردازد و بخش کنترل ولتاژ با ایجاد توان الکتریکی به کنترل ولتاژ شبکه میپردازد .
اما مورد سوم که کنترلر استفاده شده در این مقاله میباشد در واقع مبین ارتباط بخش های DC و AC در شبکه میباشد، کنترلر توان اکتیو همواره کاهش و افزایش میزان توان های الکتریکی و مکانیکی ماشین سنکرون را با مقدار مرجع در نظر گرفته و با استفاده از یک کنترلر PID سعی در کاهش منطقی این تغییرات دارد.
در ادامه هر یک از المانها و منابع موجود در سیستم مورد مطالعه، بطور مختصر بیان شده است. مدل توربین بادی در واقع متشکل از مدل ادغام شده توربین و ماشین آسنکرون به عنوان مولد می باشد، که فیدبک آن عبارتنداز گشتاوری که در هر لحظه با استفاده از یک چارت متشکل از سرعت باد و سرعت توربین از مدل توربین بدست میآید. از آوردن روابط مربوط به توربین و ژنراتور توربین بادی صرفنظر شده است. مدل سازی و روابط مربوط به توربین و ژنراتور توربین بادی در [13] و [14] بطور کامل تشریح شده است. نمای کلی از سیستم شبیه سازی شده در سیمبولیک متلب در شکل 2 آورده شده است.
شکل - 2 نمای کلی از سیستم شبیه سازی شده در نرم افزار متلب
منظور از Grid_1 در شکل 2 ریز شبکه طراحی شده در این مقاله است که در شکل 3 نشان داده شده است. در واقع کلیات سیستم طراحی شده در این مقاله با استفاده از نرم افزار متلب در شکل 3 آورده شده است که شامل ماشین سنکرون، توربین بادی، بارخطی، ذخیره ساز باتری و بخش کنترلی می باشد که در ادامه عملکرد هر قسمت به اختصار بیان خواهد شد.
