بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کنترل توان در ریز شبکه DC
چکیده - نفود تولیدات پراکنده در شبکه های توزیع پتانسیل کارکرد جزیره ای بخشی از شبکه توزیع را برای اپراتور میسر می سازد. ریزشبکه ها باعث افزایش قابلیت اطمینان و کاهش زمان خاموشی می شوند. با این حال خود ریزشبکهها برای کارکرد در حالت جدا از شبکه نیازمند کنترل مناسب هستند. این مقاله کنترل ولتاژ در یک ریزشبکه ِDC و تقسیم توان بین منابع تغذیه کننده ریزشبکه، مورد مطالعه قرار میگیرد. تقسیم توان در ریزشبکه DC بر خلاف سیستمهای سنتی، برای حفظ ولتاژ طبق منحنی دروپ توان_ولتاژ صورت میگیرد. برای تقسیم توان وحفظ ولتاژ باس DC الگوریتم کنترلی غیرمتمرکز با استفاده از روش کلیدزنی هیسترزیس برای کنترل مبدلهای الکترونیک قدرت استفاده شده است. یک ریزشبکه DC با منابع تولیدات پراکنده در نرم افزار سیمولینک متلب شبیه سازی شده است نتایج شبیه سازی عملکرد خوب و تثبیت این روش
را در حضور تغییر بارگذرای را نشان میدهد
کلید واژه- ریزشبکه DC، کارکرد جزیرهای، دروپ توان_ولتاژ، کنترلر توان و ولتاژ کلید زنی با استفاده از روش حلقههای هسترزیس، امپدانس مجازی
-1 مقدمه
امروزه با نفوذ تولیدات پراکنده در شبکههای توزیع، شبکه-های توزیع قابلیت کارکرد در حالت جزیرهای را پیدا کردهاند. کاردکرد تولیدات پراکنده در حالت جزیرهای سبب افزایش قابلیت اطمینان، کاهش زمان خاموشی و تامین بیوقفه بارهای حساس در سیستم می گردد. با این حال در ریزشبکهها نیازمند طرح ریزی مسایل جدیدی نظیر تقسیم توان و کنترل ریزشبکه و حفاظت در حالت کارکرد جزیرهای هستیم.
نوآوریهای اخیر در سیستمهای مخابرات از راه دور[1] و بعضی از لوازم خانگی از جمله LED و لپ تاپ و [2]... استفاده از ریز شبکه DC را مورد توجه قرار داده است. ریز شبکه DC بر پایه و اساس یک باس DC طراحی میشود که این باس میتواند از چند منبع با سطح ولتاژ متفاوت با استفاده از ادوات الکترونیک
1
قدرت تغذیه شود و همچنین این توان را به بارهای مصرفی بدهد.[3] از آنجا که بیشترین منابع انرژی الکتریکی توزیع شده توان الکتریکی خود را در ولتاژ و فرکانس خط فراهم نمیکنند، باس DC برای اتصال مشترک بین منابع ضروری و مفید است. به دلیل اینکه ولتاژهای خروجی منابع متفاوت است، بسته به نوع منبع و نقطه کار عملی آن، این منابع با استفاده از مبدلهای الکترونیک قدرت به این باس DC وصل میشوند.[4] استفاده از باس DC در ریزشیکهها علاوه بر موارد ذکر شده دارای فواید دیگری نیز میباشد که عبارتند از:
الف- مدت زمان اندکی برای نصب مولدها و ذخیرهسازها نیاز است.[5]
ب- اتصال منابع تجدیدپذیر DC مانند سلولهای خورشیدی، باتری، پیل سوختی و وسایل الکتروشیمیایی مانند باتریهای شیمیایی و بارهایی که ذاتا DC هستند، راحتتر است 6]
ج- به دلیل اینکه تبدیلات اینورترها را بین خروجی DC منابع و بارها کاهش میدهد، باعث افزایش بازدهی سیستم میشود.[7]
علی رغم فواید ذکر شده، باس DC به علت اینکه با ولتاژ کار میکند و دیگر نیازی به فرکانس ندارد در حوزه حفاظت دچار مشکل میشود. عبور از نقطه صفر مبنای عملکرد بسیاری از الگوریتمها و ادوات حفاظتی است.[7]
برای کنترل کردن ریزشبکه DC الگوریتم-هایکنترلی متعددی بیان شده است که اساس همه آنها حفظ ولتاژ باس DC بر روی مقدارمرجع میباشد. در حالت کلی دو روش اساسی برای تقسیم توان وجود دارد. یکی از این روشها به مفهوم دروپ و روش دیگر به مفهوم پیرو و پیشرو برمیگردد.[8]
در مفهوم دروپ، یک گین حلقه بسته برای کنترلر ولتاژ DC بیان میشود که مشخصات دروپ از تابع تبدیل شیب منحنی در صفحه توان_ولتاژ در ولتاژ مطلوب باس DC گرفته میشود .[11,10,9] روشهای مختلف بر مبنای دروپ ارایه شده است. استفاده از حلقه خارجی کنترلی، استفاده از گین غیر خطی و فیدبک جریانی از جمله معروفترین گروههای روش دروپی است.[10] مزیت روشهای دروپ، از لحاظ پیاده سازی مشکل خاصی نداشته و نیاز به شبکه مخابراتی بین مبدلها و کنترل بالا سری ندارد.[10]
در روشهای پیرو و پیشرو، فقط یکی از مبدلها، ولتاژ باس DC را کنترل میکند و بقیه مبدلها بوسیله جریان کنترل میشوند. روشهای پیشرو-پیرو تنظیم مناسب ولتاژ DC مناسب و تقسیم توان کاملا کنترل شده نیاز دارند. این روشها به شبکه مخابراتی بین مبدلها نیاز دارند که نقظه ضعف آنها به شمار میآِید. با قطع این شبکه مخابراتی عملکرد کل شبکه دچار مشکل اساسی میشود .[13,12]
در این مقاله کنترل ولتاژ باس DC و تقسیم توان بین مبدلهای الکترونیک قدرت مورد مطالعه و شبیه سازی قرار گرفته است. روشهای دروپ به دلیل قابلیت پیاده سازی بالا مورد استفاده قرار گرفته است. در این مقاله از کلیدزنی حلقه هیسترزیس، برای فرمان به مبدلها استفاده شده است. کلید زنی هیسترزیس اعوجاج کم هارمونیکی و دینامیک سریع که فقط به سرعت کلید زنی بستگی دارد، را به دنبال دارد.
ساختار بخشهای بعدی مقاله به صورت زیر است. در بخش در بخش دوم الگوریتم پیشنهاد شده برای مدارات کنترلی اینورترها ارایه شده است. در بخش سوم کلیدزنی بر مبنای حلقههای هیسترزیس و بخش چهارم امپدانس مجازی و در بخش پنجم نتایج شبیه سازی بیان میشود. در بخش ششم نتیجهگیری ارایه میشود.
-2 الگوریتم کنترلی دروپ برای تقسیم توان و کنترل ولتاژ
همانطور که گفته شد برای تقسیم توان دو روش وجود دارد که یکی از آنها مفهوم دروپ است.در مفهوم دروپ، مشخصات دروپ از تابع تبدیل شیب منحنی در صفحه توان_ولتاژ در ولتاژ مناسب باس DC استنتاج میگردد. تا زمانیکه این شیب منحنی در صفحه توان_ولتاژ منفی میباشد، تقسیم توان صورت میگیرد و مقدار توان تقسیم شده، به شیب نمودار در این صفحه بستگی دارد. برای شیب تند منحنی تقسیم توان به خوبی صورت می-گیرد ولی تنظیم ولتاژ ضعیف است و از طرفی برای شیب کم، تقسیم توان ضعیف بوده ولی تنظیم ولتاژ خوب است.[4]
در سیستمهای قدرت سنتی، گاورنر و سیستم تحریک، فرکانس ولتاژ شبکه را کنترل میکنند ولی در ریز شبکهها مبدلهای الکترونیک قدرت این وظیفه را بر عهده دارند. در ریز شبکههای DC برای کنترل ولتاژ و تقسیم توان بین منابع، باید مدارهای کنترلی را در مبدل های الکترونیکقدرت طوری طراحی کرد که جریان لازم به شبکه تزریق گردد. الگوریتم کنترلی پیشنهادی در شکل2 آمده است. به دلیل دینامیک بالای مبدلهای الکترونیک قدرت در مقایسه با ثابت زمانی ماشینها از دینامیک ماشینها و منابع صرفنظر شده است.
شکل.2 الگوریتم کنترلی دروپ
در این شکل مقادیر ورودی جریانها و خروجیها ولتاژ باس DC است. همانطور که در شکل مشاهده میشود الگوریتم پیشنهادی دارای چند مرحله است که هر مرحله در بلوک خاصی قرار گرفته است و این بلوکها به ترتیب و پشت سر هم قرار گرفتهاند تا الگوریتم کنترلی را کامل کنند. همانطور که در شکل 2 مشاهده میشود، اگر ریز شبکه DC که در شکل1 آمده است کلیتر در نظر بگیریم، یعنی به جای دو تا منبع تولید توان n تا منبع تولید توان در نظر بگیریم، بلوکهای این الگوریتم برای کنترل عبارتند از:
بلوکالف) کنترلر توان: در این بلوک جریان و ولتاژ خروجی از اینورترها گرفته میشود و توان خروجی از هر کدام از اینورترها محاسبه میشود. به دلیل وجود ریپلهای حاصل از کلیدزنی فرکانس بالا، از فیلتر فرکانس پایین استفاده میشود. منابع با تقسیم توان طبق دروپی که دارند، ولتاژ مرجع را برای بلوک بعدی آماده میکنند.در این بلوک نیز مفهوم دروپ نهفته است، و معادله اصلی دروپ در (1) آمده است.
.در شکل 3 ضرایب بر اساس (2) به دست میآیند.
که ولتاژ مرجع و ولتاژ پرباری و ماکزیمم توانی است که منابع تبدیل ولتاژ از خود عبور میدهند.
بلوکب) کنترلر ولتاژ: این بلوک شامل یک کنترلر تناسبی_انتگرالگیر است. بعداز اینکه ولتاژهای مرجع از بلوک1 مشخص شدند، با ولتاژ لحظه ای باس DC مقایسه میشوند تا مقدار خطا به دست آید و با استفاده از یک کنترلر تناسبی_انتگرالگیر خطا را صفر کرده وسیگنال خروجی مطلوب به دست میآید. بلوکج) کلیدزنی:به طور کلی ادوات الکترونیک قدرت به دو صورت کلیدزنی میشوند. در این مقاله از روش کلید زنی حلقه هیسترزیس برای کلید زدن مبدلها استفاده شده است. مبدلها طوری کلید زده میشوند تا سیگنال جریان مرجع به شبکه تزریق شود. در روشهای کلیدزنی بر اساس مدولاسیون پهنای باند از یک کنترلر تناسبی_انتگرالگیر استفاده میشود ولی در روش حلقههای هیسترزیس از این کنترلر استفاده نمیشود بنابراین دینامیک حلقههای هیسترزیس بهتر از مدولاسیون پهنای باند است.[14]
-3 کلید زنی بر مبنای حلقههای هیسترزیس
کلید زنی بر مبنای حلقههای هیسترزیس از سیگنال خطای بین جریان خروجی و جریان مرجع برای تعیین روش و خاموش بودن کلیدها استفاده میکند .[15] باندهای هیسترزیس مختلفی را میتوان تعریف کرد که در شکل زیر نشان داده شده است. در شکل6 پهنای باند هیسترزیس که فرکانس کلید زنی به این پهنای باند بستگی دارد و ، تعداد حالات سطوح مورد نظر میباشد که برای شکل.6 الف) تعداد حالات 0و 1 و-1 میباشد به همین خاطر هیسترزیس سه سطحه معروف است وبرای شکل.6 ب) تعداد حالات 0و 1 میباشد که به هیسترزیس دو سطحه معروف است.
شکل.6 الف) کنترلر هیسترزیس سه سطحه ب) کنترلر هیسترزیس دو سطحه[14]
همانطور که گفته شد هیسترزیس سه سطحه از دو سطحه مهمتر است، بنابراین برای یرای خروجی توان لحظه ای که همان 0 و1 و -1 است از جدول1 به دست می-آید.[16]
کلیدزنی هیسترزیس، پاسخ دینامیکی سریعی داشته، فاقد خطاهای ترکینگ بوده و مستقل از شرایط و پارامترهای بار است.
-4 امپدانس مجازی
در حالتیکه شبکه دچار تغییرات بار شدید میشود منابع طبق ضابطه دروپشان توان را بین خودشان تقسیم میکنند ولی در لحظه گذرا به علت اینکه در کنترلر دروپ از یک فیلتر پایین گذر استفاده شده است، سرعتش نسبت به کنترلر ولتاژ کمتر است و در لحظه گذرا کنترلر ولتاژ تقسیم توان را بر عهده می-گیرد. در حالت کنترلر ولتاژ تقسیم توان بر اساس امپدانس خطوط صورت میگیرد. در حالت کلی برای یک ریز شبکه DC تقسیم توان از رابطه کلی زیر به دست میآید.[11]
که در رابطه فوق همان زاویه امپدانس خطوط است.در حالتیکه شبکه نا متقارن و یا مقاومتی است از امپدانس مجازی استفاده میشود. در این حالات، امپدانس مجازی شبکه را از حالت نا متقارن به حالت متقارن تبدیل میکند. یکی دیگر از کاربردهای امپدانس مجازی تبدیل شبکه از حالت مقاومتی به حالت سلفی میباشد. در حالت استفاده از امپدانس مجازی از خروجی کنترلر جریان فیدبک گرفته میشود و طبق ضابطه زیر به خروجی کنترلر ولتاژ وارد میشود.
