بخشی از مقاله
چکیده_
افزایش تعداد ریز شبکهها در سیستمهای قدرت، سبب تغییر قوانین بنیادی در این سیستمها شده و نوسانات در توان تولیدشده ممکن است موجب برخی مشکلات در عملکرد کنترل معمولی شود. یکی از این مشکلات کنترل بار - فرکانس در یک ریز شبکه در حضور منابع تولیدات پراکنده میباشد. همین مسئله سبب میشود که بر میزان پیچیدگی و غیرخطی بودن ریز شبکهها افزوده شود. در این مقاله برای غلبه بر پارامترهای ثابت کنترلکنندههای کلاسیک در برابر عدم قطعیتهای مانند شرایط بهرهبرداری و تغییر نقطه کار ریز شبکه و همچنین عدم قطعیت در مدلسازی ریز شبکه از کنترلکننده خودتنظیم مبتنی بر منطق فازی استفاده شده است.
بدین جهت به ازای تغییر شرایط مختلف کنترلکننده پیشنهادی شرایط جدید اتخاذ میکند. همچنین در این کنترلکننده از ترکیب کنترلکننده منطق فازی و کنترلکننده مرتبه کسری به دلیل عملکرد مقاوم و ساختار انعطافپذیر آن برای کنترل بار-فرکانس ریز شبکه جدا از شبکه با حضور منابع تجدیدپذیر استفاده شده است.
برای عملکرد بهتر این کنترلکننده پیشنهادی از الگوریتم فرا ابتکاری جدید وال برای تعیین بهینه ضرایب مقیاس ورودی و خروجی کنترل کننده فازی و تعیین ضرایب کنترلکننده مرتبه کسری استفاده شده است. روش پیشنهادی به یکریز شبکه شامل دیزل ژنراتور، توربین بادی، سیستمهای فتوولتائیک و ذخیرهسازهای انرژی اعمالشده است. نتایج حاصل از مقایسه کنترلکننده پیشنهادی با کنترلکننده کلاسیک PID نشاندهنده عملکرد بهتر کنترلکننده فازی خودتنظیم مرتبه کسری بهینهشده با الگوریتم وال در سرعت پاسخدهی و کاهش نوسانات فرکانس در برابر تغییرات بار را دارد.
-1 مقدمه
با افزایش روزافزون مصرف انرژی در جهان، سیستمهای قدرت مرسوم با مسائلی همچون نگرانیهای زیستمحیطی، هزینه بالای احداث نیروگاههای جدید، محدودیتهای موجود در احداث خطوط انتقال و توزیع و کمبود سوختهای فسیلی مواجه شدهاند .[1] بهمنظور غلبه بر این مشکلات، افزایش قابلیت اطمینان در سرویسدهی به مشتریان و کاستن تراکم و تلفات در خطوط توزیع و انتقال، منابع تولید پراکنده و تجدیدپذیر انرژی بهعنوان گزینهای جدید و مناسب به سیستمهای قدرت مدرن معرفی شدند و منابع تولید پراکنده، منابعی برای تولید انرژی الکتریکی در تغذیه بارها به آنها یاری میرسانند
با پدیدارشان منابع تولید پراکنده، چندین مشکل ازجمله نگهداری و محافظت منابع، نحوه مشارکت این منابع در تنظیم پارامترهای اساسی شبکه همچون فرکانس و ولتاژ و نحوه مبادله توان میان شبکه سراسری و منابع تولید پراکنده و غیره ظاهر گردید
برای حل این مشکلات و در نظر گرفتن این منابع و بارهای محلی بهصورت مجتمع و یکپارچه، در سال 1998 توسط موسسهCERT1 مفهوم ریز شبکهها - MG2 - برای اولین بار در سیستمهای قدرت مدرن معرفی گردید .[4] ریزشبکه یک مجموعهای از بهرهبرداری بارها و منابع کوچک بهصورت یک سیستم کنترل واحد است که توان را برای ناحیه محلیاش فراهم میکند.
برای تسهیلات شهری، ریزشبکه میتوان بهعنوان یکبار تنهای کنترلپذیر باشد که میتواند در عرض چند ثانیه به نیازهای سیستم انتقال پاسخ دهد. ادوات ذخیرهساز در ریزشبکه، مشابه با رزرو چرخشی ژنراتورهای بزرگ در شبکههای متعارف میباشد .[5] آشکار است که در دستیابی به مزایای ریزشبکه، فراهم نمودن یک ساختار کنترلی بهمنظور متعادل نمودن میزان تغذیه و تقاضا اهمیت فراوانی دارد. مؤلفههای ریزشبکه، به کمک یک فرآیند تصمیمگیری که به تعادل بین میزان تغذیه و تقاضا می-پردازد، کنترل میگردند
یک بخش مهم در سلسه مراتب کنترلی ریزشبکه کنترل متمرکز و محلی میباشد. که در این بخش کنترلی تمامیعاملها - منابع تجدیدپذیر - مستقل بوده و با عاملهای مجاور خود بهمنظور دستیابی به تعادل توان و بهره برداری پایدار در ریزشبکه همکاری مینمایند
با توجه به اینکه ریزشبکه قادر است از شبکه اصلی جدا و در مد مجزا قرار گیرد، لذا توانایی آن برای حفظ فرکانس ثابت، پس از یک اغتشاش یا عدم تعادل قابلتوجه بین تولید و بار، از اهمیت بسزایی برخوردار است. از طرفی استفاده از منابع غیرقابل پخش ازجمله منابع بادی و مولدهای خورشیدی نیز باعث ایجاد مشکلات فراوانی از قبیل افزایش انحراف ولتاژ و نوسان فرکانس میگردد
همچنین تغییر در مصرف بار توسط مصرفکنندگان نیز بر پایداری تأثیرگذار است، که کنترل فرکانس و ولتاژ در ریزشبکهها را ضروری مینماید. با توجه به تعداد منابع تجدیدپذیر در سمت تولید، کیفیت برق به دلیل اندازهگیری در سمت منبع کاهش مییابد. در چنین حالتی پایداری ریزشبکه به خطر میافتد
لذا با تغییر بار در و در صورت عدم تامین به موقع بار توسط منابع ریزشبکه دچار نوسان فرکانس میشود. با توجه به اینکه همه واحدهای تجدیدپذیر در کنترل اولیه و کنترل بار -فرکانس شرکت نمی کنند، کنترل فرکانس دشوارتر خواهد شد بنابراین ممکن است لازم شود که واحدهای منابع تجدیدپذیر با تولید توان، در کنترل اولیه و ثانویه فرکانس نیز شرکت کنند. دیزل ژنراتور می تواند به خوبی در این امر باعث بهبود نوسانات و پاسخگوی سریع انحراف اولیهی فرکانس و جایگزین نمودن میزان تولید تغییر یافته، توسط کنترل اولیه صورت باشد
به همین منظور کنترل بار - فرکانس در یکریز شبکه اهمیت بالایی دارید. در کنترل بار- فرکانس دیزل ژنراتور میتواند با حلقه کنترلی میزان تغییرات توان را جبران کند . به همین خاطر نیاز به حلقه کنترلی دارد. کنترل کننده کلاسیک PID با ایجاد حلقه کنترلی حلقه بسته در بخش کنترل دروپ باعث جبران توان در اثر تغییرات فرکانس را دارد
علاوه بر کنترل کننده PID در مراجع روشهای مختلف دیگری برای کنترل بار فرکانس ارائه شده است. در مرجع [11]، برای کنترل فرکانس قوی در ریزشبکه AC - MG - از روشH و - سنتز ارائه شده است. در طرح کنترل پیشنهادی، ریزژنراتورها مسئول توازن بار و قدرت در سیستم.MG هستند. در مرجع [13] نیز نیز از ترکیب جدید منطق فازی نوع II و الگوریتم جستجویهارمونی اصلاح شده - MHSA - 1 برای تنظیم تطبیقی کنترلکنندهانتگرال تناسبی - GT2FLS - برای کنترل بار - فرکانس ریز شبکه استفاده شده است.
در مقاله [14] برای کنترل فرکانس از روش کنترل پیشگویانه مدلهای چندگانه . - MMPC - نسخه بهبود یافته کنترل پیشبینانه مدل - MPC - برای کار باشرایط بهرهبرداری چندگانه سیستم است. در [15] تغییرات فرکانس در یکریزشبکه درحالت بهرهبرداری مستقل، با استفاده ازیک کنترلکننده PID مبتنی برمنطق فازی کنترل میشود. عموماً پارامترهای بدیهی در PID مبتنی برمنطق فازی - FLPID - 2 ، ضرایب مقیاس آزمون وخطا، توابع عضویت و قوانین کنترلی هستند.
بهمنظور به دست آوردن این پارامترها برای طراحی کنترلکننده بهینه فرکانس در یکریزشبکه، تکنیک بهینهسازی الگوریتم ژنتیک به کارگرفته شده است. در مرجع [16] کنترل زاویه تیغه توربین بادی هماهنگ با پلاگین خودروهای هیبریدی الکتریکی - PHEVs - برای کنترل فرکانس بار ریزشبکه با استفاده از کنترل پیشبینی مدل پیشنهادمی-کند. MPCیک مدل موثر مبتنی بر کنترل پیشبینی است که در محاسبه سیگنالهای کنترل آینده با استفاده از روش بهینه-سازی با استفاده از مدل نیروگاه، جریان و سیگنالهای قبلی سیستم است.
کنترل توانPHEVs بر اساس MPC میتوان برای کاهش نوسانات فرکانس ریزشبکه به طور موثرمورد استفاده قرار گیرد. در مرجع [17] به بررسی اثر تاخیر ارتباطات در کنترل فرکانس ثانویه یکریزشبکه جزیره با ژنراتور توزیع چندگانه میپردازد. روش مبتنی بر مدل سیگنال کوچک برای ریزشبکه برای پیداکردن حاشیه تاخیرکه در آن ریزشبکه میتوانید پایدار باقی بماند معرفی شده است.
با انجام یک سری مطالعات آزمایشگاهی، روابط بین بهره کنترل فرکانس ثانویه و حاشیه تاخیر بدست آمده است. یک روش برنامهریزی همچنین برای جبران اثر تاخیر ارتباطی در کنترل فرکانس ثانویه پیشنهاد شده است. در مرجع [18]، یک مدل LFC ریزشبکه جدا شده با تولید پراکنده و خودروی الکتریکی - EVs - توسعه داده شده است. علاوه بر این، یک کنترل چند متغیره بر اساس تئوری کنترل پیشبینی کلی - MGPC - برایLFC در میکرو شبکه جدا ارائه شده است که در آن EVs و دیزل ژنراتور - DG - هماهنگ برای دستیابی به عملکرد مطلوب در فرکانس بار ارائه شده است.
در این مقاله از یک روش جدید برای کنترل بار فرکانس در یکریزشبکه جدا از شبکه استفاده شده است. در این روش پیشنهادی برای غلبه بر پارامترهای ثابت کنترلکننده کلاسیک PID از روش فازی استفاده شده است . در این روش کنترل کننده خودتنظیم فازی علاوه بر غلبه بر مشکل PID قادر است عدم قطعیتهای ناشی از مدلسازی سیستم و تغییرات پارامتر همچنین تغییر شرایط بهره برداری و نقطه کار سیستم را نیز پشتیبانی کند و عملکرد خوبی داشته باشد.
در این روش با توجه به شرایط مختلف کنترل خودتنظیم فازی پرامترهای مختلفی را جهت کنترل بار- فرکانس به سیستم اعمال میکند. علاوه بر این با توجه به اینکه خروجی کنترلکننده خودتنظیم فازی همان ضرایب کنترل PID میباشند ولی به صورت دینامیک در شرایط مختلف تغییر میکنند . در این روش پیشنهاد از کنترلکننده مرتبه کسری نیز استفاده شده است. بدین صورت که در خروجی کنترلکننده خودتنظیم فازی از کنترل کننده مرتبه کسری بهره گرفته شده است.
استفاده از سیستمهای کنترلی مرتبه کسری باعث افزایش پاسخدهی سریع و عملکرد بهتر سیستم کنترلی در کاهش انحراف فرکانس را دارد. علاوه بر این از الگوریتم جدید وال - WOA - نیز جهت تعیین مرتبه کنترلکننده مرتبه کسری و ضرایب مقیاس کنترلکننده فازی استفاده شده است. الگوریتم WOA این الگوریتم که بر گرفته از شیوه شکار و نحوه تولید حباب توسط والهای کوهاندار است، الهام گرفته شده است. این الگوریتم به خاطر استفاده آسان و انعطافپذیر و سرعت همگرایی بالا و نداشتن پارامترهای تنظیم زیاد انتخاب شده است
روش کنترلی پیشنهادی در یکریز شبکه جدا از شبکه شامل دیزل ژنراتور، توربین بادی، سیستم فتوولتائیک، پیل سوختی و سیستمهای ذخیره ساز انرژی اعمالشده است. نتایج حاصل از شبیهسازی نشاندهنده کارایی و عملکرد بالای کنترل کننده پیشنهادی مبتنی بر کنترلکننده خودتنظیم فازی مرتبه کسری بهینهشده با الگوریتم وال در کنترل بار - فرکانس ریز شبکه دارد. روش پیشنهادی در مقایسه با سایر کنترل کنندهها نیز عملکرد مطلوب تری را نشان داده است.
-2 ریز شبکه AC
-1-2 ساختار ریزشبکه AC
ریز شبکه ها دارای اندازه و شکل های مختلفی بوده که معمولاً دارای بیش از یک واحد DG میباشند. یک ساختار نوعی از ریز شبکه AC در شکل - 1 - قابلمشاهده است. معمولاً چارچوب ساختاری ریز شبکهها، بهصورت یک شبکه، یک فیدر منفرد یا یک خانه مسکونی از بخش سیستم توزیع فشار ضعیف می باشد.
همچنین به طورکلی، مؤلفههای اصلی موجود در هر ریز شبکه عبارت اند از: منبع انرژی کوچک، مصرف کننده بار الکتریکی، ذخیره ساز انرژی، کنترل کننده مرکزی سیستم ریز شبکه - MGCC1 - و نقطه کوپلینگ مشترک .[20] - PCC2 - واحدهای DG کوچک، منابع انرژی اصلی در ریز شبکه ها می باشند که می توانند به صورت ژنراتورهای چرخان یا به صورت واحدهایی که توسط مبدل الکترونیک قدرت به شبکه متصل گردیده اند، بهره برداری گردند. تکنولوژی واحدهایDG می تواند به صورت ریزتوربین، پیل سوختی، سیستم فتوولتاییک، سیستم انرژی باد، ماشین دیزلی، توربین گازی یا نوع دیگری باشد
همچنین تکنولوژی رایج ذخیره سازهای انرژی به صورت چرخ طیار3، باتری، ابرخازن4 و ذخیره ساز مغناطیسی ابررسانا - SMES5 - میباشد .[22] ادوات ذخیرهساز در ریز شبکه، مشابه با رزرو چرخشی ژنراتورهای بزرگ در شبکههای متعارف می باشد. آن ها تعادل را بین تولید و مصرف انرژی، بهویژه در مدت تغییرات ناگهانی مصرف یا تولید انرژی، تضمین مینمایند
PCC نیز محل اتصال ریز شبکه به شبکه توزیع بالادست می باشد. همان طور که ذکر گردید، ریز شبکه می تواند در مد موازی یا مد جزیره ای، بهره برداری گردد. در مد موازی، ریز شبکه بستگی به میزان مصرف و تولید انرژی و نیز تعاملات با بازار برق، توان را از شبکه اصلی جذب نموده یا به آن تغذیه می نماید. هنگامی که در اثر وقوع هرگونه اختلالی در شبکه اصلی، کیفیت تغذیه توان به مخاطره میافتد، ریز شبکه می تواند از شبکه اصلی جدا گشته و بهصورت مد جزیرهای مورد بهرهبرداری قرار بگیرد
