بخشی از مقاله
چکیده - شبکه¬هاي هوشمند، در آینده به شکل گسترده¬اي منابع انرژي¬هاي تجدیدپذیر، خودروهاي برقی و پمپ¬هاي حرارتی را به شبکه¬ي توزیع متصل می¬کنند. بسیاري از بارهاي انعطافپذیر به منظور کنترل پیک تقاضا در شبکه¬هاي هوشمند در نظر گرفته می¬شوند. اما براي بارهاي حساس مانند کامپیوترها و کارخانه¬هاي تولیدي با ظرفیت بالا، کیفیت توان تولید شده داراي اهمیت می¬باشد.
بنابراین رویت¬پذیري، کنترلپذیري و انعطافپذیري از ویژگی¬هاي کلیدي شبکه¬ي قدرت میباشند که با استفاده از رابط الکترونیک قدرت، تحقق می¬پذیرد. توان خروجی بعضی از منابع انرژي تجدیدپذیر همواره DC میباشد و براي اتصال آنها به شبکه، به یک اینورتر نیاز است. حتی اگر آن دسته از منابع انرژي¬هاي تجدیدپذیري که از ژنراتور AC استفاده می¬کنند بتوانند به طور مستقیم به شبکه متصل گردند، نیز در بعضی موارد ملزم به استفاده از مبدل AC به DC و سپس به مبدل DC به AC می¬باشند.
در برخی شرایط بهرهبرداري از سیستم قدرت، باید توان حقیقی و توان راکتیو ژنراتورها را به طور لحظه¬اي کنترل نمود که پیادهسازي این روش¬هاي کنترلی تنها با استفاده از رابط الکترونیک قدرت محقق می¬شود. حال اگر تعداد منابع تولید پراکنده متصل به شبکه، مانند میکرو ژنراتورها، افزایش یابد، دیگر استفاده از روش¬هاي سنتی کنترل ولتاژ، فرکانس، توان حقیقی و توان راکتیو پاسخگوي سیستم قدرت نخواهد بود.
روش قدیمی کنترل ولتاژ در شبکه¬هاي توزیمعمولاًع مبتنی بر تپ چنجرها، رله¬ ي کنترل ولتاژ خودکار و در بعضی موارد استفاده از جبران سازهاي خط بوده است. این روش کنترلی زمانی که توان در شبکه ذخیره شده باشد، نمیتواند نیازهاي شبکه را رفع کند. بهعلاوه، تپ چنجر یک دستگاه مکانیکی میباشد که زمان عملکرد آن بهاندازه کافی سریع و رضایتبخش نیست. در این شرایط یک منبع توان راکتیو با تغییرات سریع مانند STATCOM، بهویژه در مدارهاي القایی میتواند مفید واقع شود.
ژنراتورهاي جریان متناوب ممکن است تماماً با بیوگاز استفاده شود. آنها از یک ژنراتور سنکرون بهره میگیرند، لذا میتوان آنها را به صورت مستقیم به شبکه متصل کرد. به همین دلیل در این فصل در نظر گرفته نشدهاند. الکترونیک قدرت به عنوان یک رابط بین شبکههاي هوشمند و منابع انرژيهاي نو، میتواند به عنوان کنترلکنندهي ولتاژ و توان راکتیو خروجی و همچنین کاهش نیاز به توان حقیقی، نقش مهمی را در پاسخ به نیازهاي شبکه ایفا نماید.
-1 سیستمهاي فتوولتاییک
سیستمهاي فتوولتائیک بهطور مستقیم انرژي خورشیدي را به انرژي الکتریکی تبدیل میکنند. در حال حاضر تعداد زیادي از این سیستمها در بسیاري از کشورها مانند آلمان، اسپانیا، آمریکا و ژاپن نصب و بهرهبرداري شدهاند. تعرفههاي پیشنهادي که هزینهي تولید توان الکتریکی - p/kWh - از منابع انرژيهاي تجدیدپذیر را فراهم میآورد، به عنوان یک مسئله مهم در جذب و شبیهسازي سیستمهاي - PV - ، مؤثر میباشند.
شکل - 1 - اجزاي اصلی یک سیستم فتوولتائیک خانگی متصل به شبکه را نشان میدهد . این اجزا عبارتاند از: - 1 - یک مبدل DC-DC به منظور ردیابی نقطهي بیشینهي توان - MPPT - و افزایش ولتاژ؛ - 2 - یک اینورتر DC-AC تکفاز؛ - 3 - یک فیلتر خروجی و در بعضی موارد یک ترانسفورماتور؛ - 4 - یک کنترلکننده. ماژول - PV - شامل تعدادي سلول فتوولتائیک است که بهصورت سري و موازي به یکدیگر متصل شدهاند. شکل - - 2 -10 مشخصه-ي جریان بر حسب ولتاژ و توان بر حسب ولتاژ را در یک ماژول - PV - نشان میدهد .[1]
بیشینهي توان خروجی ماژول در نزدیکی نقطهي زانویی مشخصهي ولتاژ- جریان آن به دست می-آید. ساختارهاي متفاوتی از مبدلهاي DC-DC مانند مبدل Boost، Push-Pull، Full Bridge و Flyback در این ماژولها استفاده میشوند 2] و .[3 ولتاژ DC در سمت اینورتر مبدل DC-DCمعمولاً با استفاده از کنترل اینورتر، ثابت نگهداشته میشود. الگوریتم - MPPT - به منظور دستیابی به ولتاژ دائمی DC در یک آرایهي - PV - مورد استفاده قرار میگیرد تا بیشینهي توان از آن آرایه، حتی زمانی که دماي سلولها و شرایط بهرهبرداري تغییر میکنند، استخراج گردد.
پیادهسازي الگوریتم - MPPT - در یک کنترلکنندهي دیجیتال امري آسان محسوب میشود. یکی از این الگوریتمها که به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است، به »آشفته و مشاهده« شهرت دارد که برخی اوقات، با نام » الگوریتم تپه نوردي« نیز شناخته میشود. در این روش، اگر ولتاژ پایانه آرایهي - PV - در یک جهت تشکیل شود و توان آرایهي PV افزایش یابد، ولتاژ کاري نیز در همان جهت تشکیل خواهد شد. در غیر این صورت، اگر توان به دست آمده از آرایهي - PV - کاهش یابد، ولتاژ کاري در جهت معکوس قرار میگیرد. رویکرد دیگري که بیشتر در الکترونیک آنالوگ مورد استفاده قرار میگیرد، هدایت افزایشی نام دارد.
این روش مبتنی بر آن است که در نقطهي حداکثر توان، آرایهي PV برابر با صفر است - زیرا میباشد - . [4] این رابطه بیان میکند که میتوان ولتاژ متناظر در نقطهي بیشینهي توان را با اندازهگیري هدایت افزایشی و هدایت لحظهاي به دست آورد. ولتاژ DC به دست آمده از مبدل DC-DC، به ولتاژ AC با فرکانس 50 یا 60 هرتز تبدیل میگردد. اینورتر منبع ولتاژ کاربرهاي وسیعی دارد.
همانطور که میدانید، این اینورتر از روش کلیدزنی مدولاسیون پهناي پالس - PWM - ، به منظور کاهش اعوجاج هارمونیکی، بهره میگیرد. در انتها، یک فیلتر در خروجی تعبیه شده است تا از ورود هارمونیکها به شبکهي قدرت جلوگیري کند. در بعضی طراحیها نیز به منظور جلوگیري از ورود هر گونه موج DC به شبکه، یک ترانسفورماتور در خروجی قرار داده میشود.
به عنوان نمونه، سیستم فتوولتاییک نشان داده شده در شکل - - 3 شامل دو ماژول - PV - سري میباشد که مشخصهي V-I آنها در شکل - 2 - رسم شده است. یک اینورتر تکفاز که با - PWM - سینوسی کار میکند، به طور مستقیم به شبکه با ولتاژ 230 ولت متصل شده است. اگر توان تابشی آن را نیز 1000 W/m2در نظر بگیریم، براي ثابت نگهداشتن ولتاژ VDC2 در مقدار 350 ولت باید اندیس مدولاسیون را و به منظور استخراج بیشینه توان D = 0.77 انتخاب گردند.
-2 سیستمهاي انرژي بادي، انرژي برقآبی و انرژي جریان جزر و مد
تمامی سیستمهاي تولید انرژي الکتریکی بادي، برقآبی و جزر و مد، انرژي پتانسیل و یا جنبشی موجود در هوا یا آب را به انرژي الکتریسیته تبدیل میکنند. در سالهاي اخیر، با رشد چشمگیر نیروگاههاي بادي، ظرفیت تولید انرژي الکتریکی از انرژي باد در کل جهان به 200 GW رسیدهاست. انرژي برقآبی یک تکنولوژي بهروز است که ظرفیت واحدهاي تولیدي در آن میتوانند از چند kW تا چند صد MW تغییر کنند.
امروزه جریانهاي جزر و مدي به عنوان یکی از نوآوريهاي اخیر، به موضوعی براي مطالعات گسترده در زمینهي تولید توان الکتریکی از انرژيهاي تجدیدپذیر، تبدیل شده است. در حال حاضر، مزارع بادي هم به صورت ساحلی و هم دور از ساحل گسترش یافتهاند. احداث یک بینتور بادي در دریا، معمولاً چالش زا و گرانتر است، اما مزارع بادياي که در خشکی احداث شوند،می معمولاً از منابع بادي قويتر و سازگارتري بهره میبرند و اثرات زیستمحیطی کمتري ایجاد میکنند. اکثر ژنراتورهایی که در مزارع بادي دور از ساحل استفاده میشوند، سرعت متغیر میباشند.
در سالهاي گذشته، از توربینهاي بادي با سرعت ثابت در مزارع بادي ساحلی بهرهبرداري میشده است، اما در بیشتر مزارع بادياي که امروزه به صورت ساحلی نصب میگردند، از توربینهاي بادي سرعت متغیر استفاده میکنند. در حال حاضر، طراحیهاي متفاوتی از توربین به منظور استفاده در تکنولوژي سیستم برقآبی موجود میباشد. برخی از آنها در ته دریا مستقر شدهاند و برخی دیگر در آب شناور هستند. بنابراین آنها را میتوان به صورت زیر دستهبندي نمود:
1. توربینهاي محور افقی: معماري این نوع توربینها مشابه توربینهاي بادي است.
2. توربینهاي محور عمودي: این توربینها نیازي به سازگاري با جهت سیال ندارند، اما در مقابل گشتاورهاي بزرگ چرخهاي آسیب میپذیرند.
3. دستگاههاي نوسانساز آب باله: این دستگاهها با حرکتهاي جلو و عقب روي سطح صاف - مانند کشتی - ، جریان جزر و مدي تولید میکنند.
4. دستگاههاي تهویه: جریان جزر و مدي از راه یک کانال و یک توربین با قطر کوچکتر که در داخل کانال واقع شده است، هدایت میشود.
-3 مبدلهاي الکترونیک قدرت
به منظور بهرهبرداري از انرژيهاي باد، جزر و مد و برقآبی در سرعت متغیر، از ژنراتورهاي القایی تغذیه دوگانه - DFIG - یا مبدل توان کامل - FPC - بر مبناي ژنراتور میتوان استفاده نمود. - DFIG - یک ماشین القایی روتور سیمپیچی شده است که روتور آن بهصورت پشتبهپشت به مبدلهاي الکترونیک قدرت متصل شدهاند.
