بخشی از مقاله
چکیده –
طراحی یک کنترل کننده مقاوم برای مبدل های منبع ولتاژ به منظور عملکرد قابل اطمینان در منابع انرژی توزیع شده ضروری و مهم است. در این مقاله یک الگوریتم کنترلی دوحلقه ای برای کنترل ولتاژ بار در یک ریزشبکه ارائه می شود. حلقه داخلی شامل یک کنترل کننده مدلغزشی است که جریان مبدل منبع ولتاژ را کنترل می کند و اثبات شده است که در حضور عدم قطعیت در بار ریزشبکه کنترل مدلغزشی توانایی تنظیم جریان مبدل را دارا می باشد. کنترلر خارجی یک کنترل پیش بین است که ولتاژ بار ریزشبکه را کنترل می کند و در طراحی آن، محدودیت جریان مبدل لحاظ شده است. نشان داده شده است که با استفاده از الگوریتم پیشنهاد شده می توان ولتاژ و فرکانس بار ریزشبکه را در حالت های مختلف مانند تغییر ولتاژ و فرکانس مرجع، عدم قطعیت بار و نامتعادل بودن بارشبکه کنترل کرد.
-1 مقدمه
افزایش روزافزون مصرف انرژی، قیمت بالا و رو به افزایش، طبیعت فناپذیر سوختهای فسیلی و موقعیت بسیار بد محیط زیست جهانی، علاقهی شدیدی را نسبت به منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر ایجاد کرده است. در میان اشکال مختلف انرژی، انرژی الکتریکی یکی از مهمترین اقلام انرژی مورد نیاز بشر است. این موضوع سبب گسترش فناوریهای موجود در این زمینه و امکان تبادل دو طرفهی توان بین شبکه اصلی و مصرفکنندهها را فراهم می سازد.
یکی از مهمترین این فناوریها منابع تولید پراکنده می-باشد که به واسطهی سرمایهگذاری پایین، سازگاری با محیط زیست، قابلیت تحقق بالا و انعطافپذیری توجه زیادی را به خود جلب کرده است. فناوری تولید پراکنده مفهومی تحت عنوان ریزشبکه را پدید آورده است. یک ریزشبکه به مجموعهای از بارها، منابع تولید پراکنده و واحدهای ذخیرهساز انرژی اطلاق میشود که عملکرد جمعی آنها باعث میشود قابلیت جذب یا انتقال انرژی به شبکهای که به آن متصل است، را داشته باشد.
در کنار مزایای یادشده برای منابع تولید پراکنده، این منابع مشکلاتی نظیر تبادل توان دو طرفه، انحراف و نوسانات ولتاژ و اثرات تغییر بار را برای تجهیزات شبکه ایجاد میکنند. یکی از تمهیدات اندیشیدهشده برای رفع این مشکل، استفاده از ریزشبکه-های هوشمند میباشد. ریزشبکهی هوشمند از طریق کنترل یک اینورتر منبع ولتاژ و واحدهای توزیع انرژی، برای بهرهبرداری در حالت جزیرهای یا اتصال به شبکهی اصلی مدیریت میشوند.
مدیریت و کنترل ریزشبکهها یک مسئله شدیدا غیرخطی است که نه تنها مرتبط به بهینهسازی اقتصادی و محیطی سر و کار دارد بلکه همچنین به کنترل و پایداری ولتاژ و فرکانس و پایداری دینامیکی در مدهای مختلف بهرهبرداری نیز مربوط میشود.
طراحی یک کنترلکنندهی مقام در برابر تغییر پارامترها و عدم قطعیتها برای اینورتر منبع ولتاژ امری ضروری است چرا که قابلیت اطمینان بهرهبرداری از ریزشبکه را بهبود میبخشد. از مهمترین عواملی که سبب تغییر پارامترها و عدم قطعیت در ریزشبکه میشود، میتوان به تغییر توپولوژی شبکه از حالت اتصال به شبکه به حالت جزیرهای، ایجاد اضافهبار در ریزشبکه، عدم قطعیت بار، تغییر تعداد فازهای سیستم در حین بهرهبرداری، بارگذاری نامتعادل و گذار از حالت مدار باز به اتصال کوتاه ترمنیال-های خروجی اشاره کرد. یکی از جالبترین و مطلوبترین روش-های کنترلی برای طراحی کنترلکنندهی مقاوم در برابر عدم قطعیتها، کنترلکنندهی مد لغزشی و کنترلکنندهی پیشبین میباشد.
کنترل مد لغزشی یک کنترل غیرخطی مقاوم و قدرتمند می-باشد که تکنیکهای آن در طی 35 سال گذشته با پیشرفت زیادی همراه بوده است. کنترل مد لغزشی در طی سالیان طولانی به عنوان یکی از روشهای کلیدی برای طراحی سیستماتیک کنترل-کنندههای مقاوم برای سیستمهایی که دینامیک پیچیدهای دارند، به حساب میآید. یکی از مهمترین مزایای کنترلکنندههای مد لغزشی عدم حساسیت به تغییرات پارامترها و اغتشاشات موجود در سیستم می باشد. بدینسان حذف این اغتشاشات در مدل واقعی فرآیند ضرورت بالایی دارد. دیگر خصوصیت منحصر به فرد کنترل مد لغزشی توانایی آن در کاهش مرتبهی سیستم می باشد که سبب سادهسازی طراحی کنترل کننده میگردد. با وجود این مزایا کنترل مد لغزشی، حاشیه ی امن قابل قبولی را برای کاربرد-های تئوری و عملی فراهم میکند.
در [1] یک کنترلکنندهی جریان مد لغزشی فیدبک حالت کاهشیافته برای کنترل اینورتر منبع ولتاژ مبتنی بر مدار بالاترین درجه پیشنهاد شده است. این کنترلکننده شامل یک حلقهی داخلی کنترل جریان از نوع مدلغزشی و یک حلقهی خارجی ولتاژ از نوع کنترلر PI میباشد. یکی از معایب این استراتژی درنظر نگرفتن قیدهای جریان مبدل است.
در [2] یک مکانیسم کنترلی مد لغزشی برای اینورتر منبع ولتاژ که دارای فیلتر LCL میباشد و در حالت اتصال با شبکهی تکفاز است، توسط شماتیک هیسترزیس دوبلباند پیشنهاد شده است. این کنترلکنندهی پیشنهادی در مقایسه با کنترلکنندههای مد لغزشی مرسوم ساده-تر است چرا که تابع صفحهی لغزشی آن تنها به قرائت ولتاژ خازن و جریان شبکه نیاز دارد. علاوه بر این برای بهبود کارایی کلیدزنی اینورتر و کاهش تعداد کلیدزنیها از یک شماتیک هیسترزیس دوبلباند استفاده شده است.
در [3] یک کنترلکنندهی مد لغزشی تطبیقی برای برای بهبود کارایی دفع اغتشاش سیستم کنترلی اینورترهای موازی یک ریزشبکه پیشنهاد شده است. علاوه بر این یک الگوریتم نیز طراحی شده است که اغتشاشات خارجی و اختلالات داخلی را تخمین میزند و مقاومبودن سیستم کنترلی اینورتر را ضمانت میکند. همچنین بهرهی کلیدزنی ورودی کنترلی به صورت یک مقدار متغیر با زمان طراحی شده است که به شکل موثری پدیدهی وزوز موجود در سیگنال ورودی کنترل را کاهش میدهد. اغلب الگوریتم های مذکور، طراحی کنترل کننده را بدون درنظر گرفتن قید جریان مبدل انجام داده اند که ممکن است باعث شود کنترل کننده جریان مبدل را بر روی مقداری بیشتر از جریان مجاز مبدل تنظیم کند.
در[4 ] از کنترل دوحلقه ای مدلغزشی-پیش بین برای کنترل ولتاژ ریزشبکه استفاده شده است. حلقه داخلی شامل کنترل مد لغزشی است و جریان مبدل را کنترل می کند و در حلقه خارجی از کنترل پیش بین مدل استفاده شده است که این امکان را فرآهم می کند که محدوده جریان مبدل را در هنگام کنترل ریزشبکه درنظر بگیریم. با وجود مزایای فراوانی که این الگوریتم دارد، معایب نیز در این استراتژی وجود دارد که می توان به چندمورد از آنها اشاره کرد: اولا در هنگام طراحی کنترل مد لغزشی فقط مدل مبدل منبع ولتاژ و فیلترهای LC درنظر گرفته شده است، در حالیکه در مدل واقعی ریزشبکه یکپارچه است و باید طراحی بر اساس کل سیستم انجام شود.
دوما اثر عدم قطعیت بوضوح در قانون مدلغزشی درنظر گرفته نشده است و فقط بخش کنترل معادل مدلغزشی لحاظ شده است که این باعث می شود کنترل داخلی در مقابل عدم قطعیت خیلی مقاوم نباشد. درنتیجه در این مقاله از الگوریتم کنترل دوحلقه ای لغزشی-پیش بین استفاده می کنیم ولی طراحی مدلغزشی بر اساس مدل کامل ریزشبکه و با درنظر گرفتن عدم قطعیت در بار شبکه انجام می شود و همچنین کنترل حلقه خارجی نیز از نوع کنترل پیش بین مقید است که تاثیر محدودیت جریان مبدل های ریزشبکه را لحاظ می کند.
درنتیجه این مقاله بصورت زیر بخش بندی می شود: در بخش دوم مدلسازی کامل ریزشبکه ارائه می شود. در بخش سوم طراحی مدلغزشی و اثبات پایداری آن ارائه می شود. در بخش چهارم طراحی کنترل پیش بین مقید ارائه می شود. در بخش پنجم تست های شبیه سازی و در نهایت بخش ششم جمع بندی و نتایج ارائه می شود.
-2 مدلسازی فضای حالت مبدل ولتاژ سه فاز ریزشبکه
ساختار یک مبدل سه فاز ریزشبکه در شکل زیر نمایش داده شده است:
شکل 1 مبدل سه فاز ریزشبکه
ورودی ریزشبکه است که یک ولتاژ جریان مستقیم تولید شده توسط یک منبع تجدیدپذیر مانند فتوولتائیک است. سپس وارد یک مبدل جریان مستقیم به متناوب - - VSI می شود که این بلوک از طریق شش ترانزیستور قدرت و یا شش تریستور ولتاژ جریان مستقیم را به ولتاژ متناوب تبدیل می کند. بخش دوم که شامل سلفها و خازنها است، فیلتر هستند و برای حذف هارمونیک ها استفاده می شوند و در نهایت ولتاژ خروجی فیلترشده توسط یک ترانسفورماتور سه فاز با اتصال مثلث به ستاره، به بار متصل می گردد.
همچنین خازن های Cload برای حذف بیشتر هارمونیک های ولتاژ و پایداری سازی ولتاژ استفاده می شود. برای مدلسازی ریزشبکه فرض می کنیم که مدل مبدل ولتاژ PWM ایده آل است یعنی اگر کنترل کننده فرمان تولید ولتاژ سینوسی را فرکانس و دامنه مشخص را داد، آنگاه ترتیب راه اندازی گیت ترانزیستورها بصورتی تنظیم می شود که ولتاژ و فرکانس مشخص در خروجی مبدل تولید گردد. مدل فضای حالت ریزشبکه با استفاده از قوانین کیرشهف در مدار بالا بصورت زیر بدست می آید:
متغیرهای بالا برداری هستند و شامل ولتاژ ها در هر سه فاز هستند. همچنین ، و به ترتیب بیانگر جریان مبدل، جریان بار و و جریان طرف ثانویه ترانسفوماتور است.
پارامترهای و نیز بیانگر ماتریس تبدیل جریان و ولتاژ ترانسفورماتور است:
اغلب الگوریتم های کنترلی بر اساس مدل فضای حالت در مختصات dq0 ارائه شده اند. بنابراین با استفاده از تبدیلات زیر مدل بالا را به مختصات dq0 می بریم:
در مدل فضای حالت بالا بدلیل نامعلوم و کنترل ناپذیربودن شرایط اولیه اغلب آنها را برابر صفر درنظر می گیرند. با این فرض مدل فضای حالت جدید بصورت زیر است:
در مدل فضای حالت dq، متغیرهای حالت ولتاژ و جریان مبدل، ولتاژ بار و جریان ثانویه ترانسفورماتور در مختصات dq ، ورودی مدل فضای حالت ولتاژ PWM در مختصات dq و خروجی نیز ولتاژ بار است. جریان بار که دارای عدم قطعیت است به عنوان اغتشاش شناخته می شود.
