بخشی از مقاله
خلاصه
در حالت جزیرهای یک ریزشبکه، ژنراتورهای تولید پراکنده بهمنظور شبیهسازی اینرسی رتور و مشخصات دروپ ژنراتورهای سنکرون با روش ژنراتور سنکرون مجازی - VSG - کنترل میشوند. ازآنجاکه ظرفیت و موقعیت هر VSG تصادفی میباشد امپدانس خروجی، امپدانس خط و ظرفیت هر VSG با یکدیگر مطابق نبوده و منجر به تسهیم نادرست توان راکتیو میشود. بنابراین در این مقاله روش جدیدی مبتنی بر خازن - مقاومت مجازی پیشنهاد شده است که سازگاری بین خطای تسهیم توان راکتیو و دقت کنترل ولتاژ را برخلاف روشهای قبلی ارائه میدهد.
روش پیشنهادی مشخصات خازن موازی و مقاومت مجازی را توأما در ترمینال خروجی شبیهسازی میکند. مقاومت مجازی روش پیشنهادی موجب بهبود تسهیم توان راکتیو و درعینحال خازن موازی موجود در روش پیشنهادی ولتاژ خروجی را مطابق با کنترل توان راکتیو خروجی VSG جبران میکند. در این مقاله بهمنظور پیادهسازی روش پیشنهادی از شبیهسازی یک میکروگرید ساده شامل دو VSG در نرمافزار Matlab/Simulink بهره گرفتهشده است.
.1مقدمه
امروزه استفاده از ریز شبکه ها برای تأمین توان موردنیاز سیستم قدرت و استفاده از تولیدکنندگان محلی در حال افزایش است. ریزشبکه ها شامل منابع تولید توزیعشده - DG - ها و بارهای پاسخگو هستند که میتوانند بهصورت جزیرهای و یا متصل به شبکه عمل کنند. در حالت جزیرهای، ریزشبکه جدا از شبکه قدرت اصلی و یا ریز شبکههای دیگر عمل کرده و اجازه تبادل توان با آنها را ندارد.
در این حالت مساله کنترل ولتاژ و فرکانس ریزشبکه و پایداری آن بسیار بحرانی خواهد بود. این در حالی است که ریز شبکه میتواند از طریق نقطه اتصال مشترک - PCC - به شبکه اصلی متصل شود. در حالت متصل، شبکه اصلی نقش باس بینهایت را برای ریزشبکه ایفا کرده و بنابراین پایداری ریزشبکه و کنترل آن، بهراحتی برقرار میشود.
در حالت جزیرهای ریز شبکه، از کنترل دروپ و با بهکارگیری مشخصه - توان اکتیو-فرکانس - برای تقسیم توان اکتیو استفاده میشود. این روش، از تقسیم مرسوم توان اکتیو ژنراتور سنکرون در سیستم قدرت تقلید میکند. تقسیم توان راکتیو در ریزشبکه، همانند تقسیم توان اکتیو آن راحت و ساده نمیباشد و پیچیدگیهای زیادی را دربردارد. با توجه به عدم تطبیق امپدانس فیدر بین DG ها و بارها، توان راکتیو ریزشبکه بهصورت دقیق تقسیم نشده و میتواند مشکلاتی را در زمینه پایداری سیستم ایجاد کند.
در ریزشبکه ها با حالت جزیره، ژنراتورهای تولید پراکنده با روش ژنراتور سنکرون مجازی - VSG - کنترل میشود تا اینرسی رتور و مشخصه دروپ را بهمنظور افزایش پایداری ولتاژ و فرکانس شبیهسازی کند. ازآنجاکه ظرفیت و موقعیت هر VSG تصادفی است، امپدانس خروجی VSG، امپدانس خط و ظرفیت VSG متفاوت است. این امر موجب تسهیم نادرست توان راکتیو میشود. در این راستا نیاز به روشهایی میباشد که دقت تسهیم توان راکتیو را افزایش دهد2]،.[1
روشهای بسیاری بهمنظور بهبود تسهیم توان راکتیو در ریزشبکه ها ارائه شده است. نوع راهحل ارائهشده را میتوان مطابق با روش کنترلی پیشنهادی دستهبندی کرد. مساله تسهیم توان در یک ریزشبکه به علت نابرابر بودن امپدانس خروجی و امپدانس فیدر اینورترهای متصل موازی رخ میدهد. ازآنجاکه روش کنترل دروپ ساده برای امپدانسها با خاصیت سلفی بالا طراحی شدهاند، زمانی که امپدانس خط مختلط است و درواقع شامل هر دو امپدانس مقاومتی و سلفی است، توان اکتیو و راکتیو به یکدیگر مرتبط میشوند.
وجود این ارتباط منجر به ایجاد مساله تسهیم توان راکتیو میشود. روش امپدانس مجازی مبتنی بر این حقیقت است که امپدانس های خط اینورترهای موازی را با مقادیری نزدیک به هم و برابر تغییر دهد. درواقع اگر اختلافی بین امپدانسهای خطوط وجود داشته باشد از طریق امپدانس مجازی جبران میشود. نکته دیگری که وجود دارد این است که این امپدانسهای مجازی بهگونهای طراحی میشوند که بیشتر سلفی باشند بهطوریکه بتوان توانهای اکتیو و راکتیو را از یکدیگر جدا نمود.
در مرجع [3] ایده امپدانس پایه و هارمونیکی معادل پیشنهاد شده است تا توان راکتیو و هارمونیکی را بهتناسب میان اینورترها تقسیم کند.پیشنیاز این روش این است که امپدانسهای پایه معادل در یک ریزشبکه باید به نسبت عکس ظرفیت DGها تنظیم شوند. پیادهسازی این روش آسان است اما باید مقدار امپدانس خط را بدانیم تا بتوان مقدار امپدانس مجازی را محاسبه نمود.
در مرجع [4] نویسندگان ایده ای برای تنظیم امپدانس مجازی با استفاده از یک تک مقدار امپدانس مجازی ارائه دادهاند. این روش دارای این مزیت است که میتواند تسهیم توان راکتیو را با استفاده از امپدانس مجازی بدون دانستن مقدار امپدانس خط انجام دهد. بااینحال نیاز به یک ارتباط مخابراتی با پهنای باند کم برای محاسبه و انتقال مقدار مرجع در میان ماژولهای موازی است.
با تغییر شیب منحنی دروپ Q-V میتوان تسهیم توان راکتیو را بهبود بخشید. خطای توان راکتیو با ضرایب دروپ بالاتر کاهشیافته و بهطورکلی تسهیم توان راکتیو بهبود مییابد. با اینحال مشکلی که در این روش وجود دارد این است که با افزایش شیب مشخصه، ولتاژ در PCC کاهش مییابد. همواره یک نوع سازگاری بین تسهیم توان راکتیو و ولتاژ PCC وجود دارد.
ضرایب پایین دروپ موجب ایجاد دقت پایین در تسهیم توان میشود این در حالی است که ضرایب دروپ بالا موجب تنظیم ولتاژ ناصحیح میشود. این نوع از روشهای تسهیم توان راکتیو دارای این مزیت است که نیازی به ایجاد ارتباط مخابراتی ندارد. دقت این روش خیلی بالا نیست و باید در ابتدا در مود متصل به شبکه بهرهبرداری گردد تا شیب برای مود جزیرهای تخمین زده شود.[5]
0 V در حالت ماندگار پیشنهاد شده است تا خروجی پایدار حاصل شود. این روش قادر است توان راکتیو را بهطور عادلانه ای و با دقت کافی تقسیم کند اما خطاهای طراحی یا تفاوتهای ذاتی در پارامترهای هر DG موجب ایجاد خطا در تسهیم توان میشود.[6] در مرجع [7] نویسندگان ایده تزریق سیگنال فرکانس بالا را پیشنهاد دادند. یک سیگنال ولتاژ ac کوچک بهعنوان یک سیگنال کنترلی به سیستم تزریق شد.
توان راکتیو، فرکانس این سیگنال کنترلی را کنترل میکند. این روش کنترلی را همچنین میتوان برای تسهیم اعوجاج جریان ناشی از بارهای غیرخطی به کار برد. در واقع سیگنال کنترلی دیگری تعریف میشود که فرکانس آن مطابق با جریان اعوجاجی اینورتر افت میکند. توان این سیگنال کنترلی تزریق شده سپس برای تنظیم پهنای باند حلقه ولتاژ اینورتر استفاده میشود. این روش از دقت بسیار بالایی برخوردار است و میتواند توان اعوجاجی ناشی از بار غیرخطی را نیز تسهیم کند. با این حال تزریق سیگنال های کوچک، این روش را در عمل بسیار پیچیده میکند.
مرجع [8] استراتژی کنترلی جدیدی را معرفی میکند که خطای کنترل توان راکتیو، بهوسیله تزریق اغتشاش کوچکی از توان اکتیو تخمین زده میشود و با اضافه کردن جمله انتگرالی به کنترل دروپ مرسوم توان راکتیو، تقسیم توان راکتیو به صورتی دقیق انجام میپذیرد.با این وجود، سیگنالهای همزمانی که بهمنظور تخمین خطای کنترل توان راکتیو ارسال میشود توسط کنترلکننده مرکزی* کنترل شده و نمیتوانند بهصورت زمان-حقیقی با تغییرات بار تغییر کنند. بنابراین، الگوریتم فوق دقت فرکانس را پایین میآورد.
مرجع [9] یک کنترلکننده دروپ توسعهیافته را پیشنهاد میدهد که میتواند علاوه بر تقسیم دقیق بار و کاهش افت ولتاژ آن، خطای اندازهگیری ولتاژ بار که سبب خطای تقسیم و افزایش وسایل مخابراتی میشود را به دست آورد. مشکل استفاده از این روش استفاده از الگوریتم حلقه بسته است. در مراجع [12-10]، اینورترها توان خروجی خود و ضرایب دروپ را به کنترلکنندههای مرکزی مخابره کرده و فرمانهای توان راکتیو محاسبه میشوند.
در مرحله بعد این فرمانها برای کنترل توان حلقه بسته بهصورت مجدد مورد استفاده قرار میگیرند. مشکل بزرگ این مراجع استفاده از استراتژی حلقه بسته است. این استراتژی هزینه و پیچیدگی زیادی را به همراه دارد و خطاهای مخابراتی و تأخیرها میتواند عملکرد این استراتژی را با مشکل مواجه کند. مرجع [13] با معرفی یک ضریب دروپ بسیار بزرگ، خطای تقسیم توان را کاهش میدهد. عیب بزرگ این روش، افزایش انحراف ولتاژ و کاهش پایداری سیستم است. مراجع [17- 14] با معرفی امپدانس خروجی مجازی سعی دارند تا با تغییر ولتاژ خروجی، خطای تقسیم توان راکتیو را کاهش دهند. با این وجود، این روش میتواند کیفیت ولتاژ سیستم را تنزل بخشد.
مرجع [18] از تکنیک تزریق سیگنال برای کاهش خطای تقسیم توان راکتیو استفاده میکند. در این روش یک سیگنال هارمونیک که اطلاعات توان راکتیو را دربرمیگیرد، به ولتاژ خروجی مرجع DG تزریق شده و بدینوسیله خروجی توان راکتیو تنظیم میشود تا بر اساس توان هارمونیکها، دقت تقسیم توان راکتیو بالا رود. این روش نیز دارای اغتشاش خواهد بود.
در مرجع [19]، سیگنال کوچکی از اغتشاش که شامل اطلاعات توان راکتیو میباشد، به فرکانس مرجع داده شده و تغییرات توان اکتیو ارزیابی میشود. با استفاده از تغییرات توان اکتیو، خطای تقسیم توان راکتیو جبران میشود. با این وجود، پایداری این روش نیز تضمین نمیشود. مرجع [20]، با ساخت یک کنترل انتگرالی و با در نظر گرفتن ولتاژ باس مشترک، تقسیم دقیق توان راکتیو را تضمین میکند. این روش نیز در عمل مشکل مینماید چرا که به دست آوردن ولتاژ باس مشترک پیچیده خواهد بود.
