بخشی از مقاله
چکیده
مفهوم ریز شبکه یک عنوان کلیدی در شبکه های برق آینده است. استراتژی اصلی ریز شبکه کار در شرایط عادی و ارتباط با سیستم قدرت است. در صورت وقوع فالت در سیستم قدرت، ریز شبکه به عنوان یک شبکه مستقل با حالت جزیرهای عمل میکند. نقش عناصر ذخیره ساز برای برقراری تعادل در هنگام نوسانات برق به منابع تجدیدپذیر کمک شایانی به کنترل و پایداری شبکه مینماید.
با توجه به مشخصات فیزیکی متفاوت اینورتر و SGS برای کنترل مطمئن ریز شبکه یک نقطه تعادل مورد نیاز است. این نقطه تعادل باید توانایی های SGS را داشته باشد و در هنگام بهره برداری از ریز شبکه در حالت متصل به شبکه و همچنین اتصال شبکه به سیستمهای بزرگتر کارایی لازم را داشته باشد. علاوه بر این در حالت متصل به شبکه اقدامات کنترلی و توان مورد نیاز در ریز شبکه را نسبت به شبکه اصلی پشتیبانی کند. در حالت منفک از شبکه نیز باید قابلیت کنترل واحد در ریز شبکه را داشته باشد.
در این تحقیق روش کنترل در نقطه اتصال مشترک - - PCC بین سیستم قدرت و میکروگرید مورد بررسی قرار گرفت. از مبدل اینورتر سری با منبع ولتاژ که مانند یک پل H می باشد، برای کنترل و تبادل توان استفاده شده است.
مقدمه
افزایش تقاضا انرژی و مسئله زیست محیطی در سیستمهای قدرت باعث ادغام منابع تولیدپراکنده و میکروگرید در شبکه قدرت شده است12]،.[11 میکروگرید در دو حالت متصل و منفک از شبکه میتواند کار کند. میکروگرید در هر دو حالت باید قادر به تامین بار شبکه باشد. در حالت متصل به شبکه، ولتاژ و فرکانس میکروگرید از طریق شبکه اصلی کنترل میشود.
در حالت جزیرهای برای کنترل فرکانس و ولتاژ باید فرکانس و ولتاژ هر واحد میکروگرید را داشته باشیم14]،.[13ساختار کنترل در میکروگرید به صورت متمرکز و غیرمتمرکز انجام میشود. در کنترل متمرکز هنگام تعمیرو سرویس قسمتی از سیستم نیاز به خاموش کردن کامل سیستم است، که خود علاوه بر پیچیدگی و غیرمقیاس پذیری سیستمهای قدرت باعث کاهش قابلیت اطمینان در سیستم های بزرگ میشود
تعریف میکروگرید
تحقیقات مختلفی در دهه کذشته در رابطه با میکروگرید انجام شده است.[1] با این حال تعریف جامع و ثابتی از میکروگرید ارائه نشده است. بر این اساس تعریف میکروگرید AC به صورت زیر بیان می شود: "شبکه الکتریکی اگر دارای شرایط زیر باشد به عنوان یک میکروگرید AC شناخته میشود."
-1 اتصال به شبکه توزیع AC به عنوان شبکه LV یا
-MV 2 دارای نقطه اتصال مشترک - PCC - به شبکه توزیع
-3ترکیبی از واحدهای تولید، عناصر ذخیره ساز و بارها باشد.
-4توانایی کافی برای تولید و ذخیرهسازی کافی برای تامین بارهای مصرف کنندهها به صورت مستقل در برخی از دورهای زمانی
-5 متصل به شبکه الکتریکی و مستقل از شبکه به صورت جزیرهای کار کند.
-6 در حالت اتصال به شبکه به عنوان ژنراتور و کنترل بار عمل می-کند.
-7 در حالت مستقل از شبکه فرکانس، ولتاژ و توان را تامین و کنترل کند.
اجزای اصلی در یک میکروگرید واحدهایDG ، بارهای و عناصر ذخیرهسازی انرژی میباشد. واحدهای تولید پراکنده در میکروگرید واحدهای تجدیدپذیر مانند فتوولتائیک - - PV، توربینهای بادی، سلولهای سوختی - - FCS و همچنین میکروتوربین و یا موتورهای رفت و برگشتی ترکیبی با SGS میباشد.
یکی دیگر از کاربردهای تولید پراکنده تولید همزمان 1 است؛ که عبارت از تولید همزمان و توأم ترمودینامیکی دو یا چند شکل انرژی از یک منبع ساده اولیه میباشد. در برخی از واحدهای تولید پراکنده ترکیبی از برق و حرارت - - CHP استفاده میشود که میتوان، تلفات ناشی از گازهای داغ خروجی از توربینهای گازی را به صورت بازیافت حرارت، وارد شبکه تولید همزمان برق و حرارت کرد. بارهای میکروگرید معمولا بارهای معمولی مانند بارهای مسکونی، تجاری و صنعتی میباشد.
بارها در یک شبکه میکروگرید با توجه به اولویت خود به بحرانی و غیربحرانی تقسیم میشود. این امر به عنوان یک گزینه بهرهبرداری در حالت مستقل یا جزیرهای استفاده میشود.
عناصر ذخیرهساز نقش کلیدی در ریز شبکهها دارند.[3] آنها نقش مهمی برای برقراری تعادل در هنگام نوسانات برق به منابع تجدیدپذیر ایفا میکنند و کمک شایانی به کنترل و پایداری شبکه مینماید. عناصر ذخیره ساز عبارت از باتری، فلایویل یا ابرخازن می-باشند. برای ترکیب عناصر تجدیدپذیر و ذخیره ساز به اینورتر نیاز است. اکثر منابع - DGمانند PV, FCS و باتری ها - و واحدهای ذخیره سازی دارای منبع DCاند یا دارای فرکانس متغیر با سرعت بالا - مانند توربینهای بادی، میکروتوربینها، فلایویل - هستند. بنابراین آنها باید به شبکه AC از طریق AC یا با اینورتر DC-AC متصل شوند.
ویژگی میکروگریدها
میکروگرید یک راهحل آسان برای ادغام واحدهای محلی DG به شبکه سراسری برق میباشد.
سه عامل مهم گسترش میکروگرید عبارتند از:
• افزایش نفوذ منابع تجدیدپذیر به شبکه های برق
• منابع تجدید پذیر DG متناوب به شبکه های LV و MV متصل می شوند در حالی که نیروگاهها معمولی در سطح HV واقع هستند.[5]
• بخش بزرگی از واحدهای DG از طریق اینورتر به شبکه متصل می شود. ویژگی های فیزیکی اینورتر تا حد زیادی از ویژگی های ژنراتور برق معمولی متفاوت است.
کنترل سیستم قدرت و بهره برداری
ساختار نیروگاههای مرسوم تولید برق متشکل از دستگاههای بزرگ-اند اما واحدهای DG متشکل از واحدهای کوچکتر هستند.
افزایش تعداد واحدهای تولید برق در سیستم قدرت، چند واحد DG جایگزین یک نیروگاه معمولی میشود.
واحدهای تولید پراکنده باعث افزایش کیفیت انرژی در LV و MV میشود.
افزایش ضریب نفوذ منابع پایه- اینورتر باعث کاهش خدمات جانبی نیروگاههای سوخت فسیلی مانند کنترل فرکانس و ولتاژ لااقل به صورت جزئی از طریق مبدلهای متصل به منبع میشود.
برای کنترل و بهرهبرداری باید خصوصیات فیزیکی اینورترها و متناوب بودن منابع تجدیدپذیر در نظر گرفته شود.
با نفوذ منابع تجدیدپذیر ساختار تولید برق به مراتب پیچیدهتر و واحدهای تولید برق پویا به وجود خواهد آمد. علاوه بر این تولید برق با عدم قطعیت بیشتری انجام میگیرد. قابلیت اطمینان در سطح LV و HV به طور چشمگیری افزایش مییابد.
مفهوم ریزشبکه یک عنوان کلیدی در شبکههای برق آینده است. استراتژی اصلی ریزشبکه کار در شرایط عادی و ارتباط با سیستم قدرت است. در صورت وقوع فالت در سیستم قدرت، ریز شبکه به عنوان یک شبکه مستقل با حالت جزیرهای عمل میکند. هنگامی که خطا رفع شود، ریز شبکه ممکن است به شبکه اصلی متصل شده باشد و اگر کیفیت توان پایینتر از آستانه تعریف شده برای ریز شبکه باشد، ریز شبکه از سیستم قدرت جدا میشود. این فرایند قطع عمدی یا حالت جزیرهای2 نامیده میشود. به این دلیل ویژگیهای مختلف ریز شبکه سهم بزرگی از ادغام DG بر پایه مبدل به شبکه الکتریکی دارد.
برخی ار خواص ریز شبکه به شرح زیر است:
* با کنترل موضعی فرکانس و ولتاژ در حالت اتصال شبکه و جزیرهای کیفیت برق را افزایش می دهد.
* کاهش کنترل بار در سطوح ولتاژ بالا با اقدامات کنترلی محلی در ریز شبکهها
* کاهش تلفات شبکه با حفظ تعادل موضعی در شبکه
* خوشهبندی شبکه الکتریکی به چند ریز شبکه که باعث کنترل و بهرهبرداری سادهتر از سیستم میگردد.
* در حالت متصل به شبکه، میکروگریدها و شبکه الکتریکی تشکیل یک کوپل میدهند.
پایداری فرکانس و ولتاژ
در سیستمهای قدرت متعارف، منابع تولید برق از طریق SGS به شبکه متصل میشود. وظیفه اصلی SGS در شبکههای برق AC تبدیل انرژی مکانیکی چرخشی به انرژی الکتریکی است. این فرایند تبدیل انرژی از طریق القای الکترومغناطیسی به وجود میآید، به عنوان مثال، چرخش میدان مغناطیسی روتور باعث القای ولتاژ سه فاز در سیمپیچ استاتور میشود.
بنابراین SGS در ترمینالهای خود ولتاژ تولید میکند. به طور کلی یک ولتاژ سه فاز متقارن توسط دو متغیر دامنه و زاویه آن توصیف میشود. اگر SG با این روش عمل کند مقادیر فرکانس را تنظیم میکند. زمان و مشتق زاویه، دامنه ولتاژ پایانهها را مشخص و به عنوان یک واحد شبکه عمل میکند. در روش دیگر SG میتواند با تزریق مقدار مشخصی توان اکتیو یا راکتیو به شبکه سیستم قدرت را کنترل کند، که به آن شبکه تغذیه یا واحد PQ میگویند..
واحد شبکه از اجزاء ضروری در سیستمهای قدرت هستند. آنها با این روش فرکانس و ولتاژ مشخص به تمام باسهای سیستم تزریق میکنند تا سیستم به تعادل برسد.
پس از آنکه شبکه سنکرون شد، اگر همه SGS در شبکه الکتریکی AC با همان سرعت چرخش، که در آن شبکه سنکرون شده است، بچرخند. میدان روتور و میدان ترمینال ماشین در همان سرعت با یک اختلاف فاز ثابت بین این دو حوزه میچرخد.
اما در ریزشبکه تعداد زیادی از واحدهای تجدیدپذیر DG معمولا از طریق اینورتر و برخی نیز به وسیله رابط از منابع تولید از طریق SGSبه شبکه متصل میشود. بنابراین، در ریز شبکه قابلیت شبکه اغلب از طریق منابع - مبدل رابط تشکیل شدهاند.
با توجه به مشخصات فیزیکی متفاوت اینورتر و SGS برای کنترل مطمئن ریزشبکه یک نقطه تعادل مورد نیاز است. این نقطه تعادل باید تواناییهای SGS را داشته باشد و در هنگام بهرهبرداری از ریزشبکه در حالت متصل به شبکه و همچنین اتصال شبکه به سیستمهای بزرگتر کارایی لازم را داشته باشد. علاوه بر این در حالت متصل به شبکه اقدامات کنترلی و توان مورد نیاز در ریز شبکه را نسبت به شبکه اصلی پشتیبانی کند. در حالت منفک از شبکه نیز باید قابلیت کنترل واحد در ریزشبکه را داشته باشد. همچنین در سیستم قدرت منفک از شبکه -جزیرهای- هر نوع اختلالی که باعث تغییر بار یا تولید شود، فرکانس را تحت تاثیر قرار خواهد داد. از این رو ثبات ولتاژ در حالت جزیرهای بسیار مهم است.
کنترل ولتاژ و فرکانس در ریز شبکه
در سیستم قدرت معمول، ثبات فرکانس با پایداری زاویه روتور - نوسانات روتور - انجام میگیرد که به کنترل فرکانس می-گویند. کنترلرها شبکه قدرت سعی در به حداقل رساندن نوسانات ناشی فرکانس در سیستم قدرت معمول دارند. کنترل فرکانس معمولا در چند مرحله در سطح ولتاژ فشار قوی و توسط SGS انجام میگیرد. که زیر به آن می پردازیم.
کنترل اولیه که ساختار غیر متمرکز دارد و کنترل نسبی با هدف تثبیت فرکانس و تعادل توان اکتیو در آن انجام میگیرد. کنترل اولیه واکنش اتوماتیک هر یک از ژنراتورهای سنکرون شده با شبکه است که در مقابله با هرگونه تغییر در فرکانس سیستم در بازه محدود به صورت اقدامی مشترک از سوی تمامی واحدهای درگیر و مرتبط صورت میگیرد.
کنترل ثانویه که واکنش اتوماتیک متمرکزی برای بازگرداندن فرکانس سیستم به مقدار نامی آن از طریق افزایش میزان تولید واحدهای شرکت کننده در این کنترل میباشد.
کنترل ثالثیه که عملیاتی اتوماتیک و یا غیر اتوماتیک توسط بهره بردار سیستم برای تغییر میزان تولید واحدهای در مدار و یا به مدار آوردن واحدهای غیر سنکرون با شبکه جهت بازگردانی مجدد میزان رزرو بهره برداری بکار گرفته شده در مراحل قبل به مقدار لحاظ شده در برنامه ریزی شبکه میباشد.
کنترل ولتاژ در سطح HV با تنظیم ولتاژ تحریک SGs انجام می-شود. در سطوح فشار متوسط و ضعیف نیز از دستگاههای جبرانساز و ترانسفورماتور استفاده میشود.
در ریز شبکهها نیز کنترل فرکانس مانند نیروگاهای مرسوم در سه مرحله انجام میگیرد که در زیر به آن می پردازیم:
کنترل اولیه: ثبات ولتاژ و فرکانس، دستیابی شبکه توزیع به توان اکتیو و راکتیو بدون کاهش ولتاژ و فرکانس. مانند رفتار GS در نیروگاههای مرسوم
کنترل ثانویه: جبران کاهش دامنه ولتاژ و فرکانس با کنترل اولیه کنترل ثالثیه: قطع سیستم های برهم زننده تعادل شبکه در نقطه اتصال مشترک - - PCC با ارسال به موقع سیگنال تریپ.
باید به این نکته توجه کردکه ارسال به هنگام برای قطع در نقطه PCC در لایه کنترل ثالثیه گنجانده شده است و این یک مزیت در ریز شبکه است. این نشان می دهد تفکیک بین مقیاس زمانی و کنترل در ریز شبکه مشکل است.
در شکل - - 1 ساختار کنترلی در میکروگرید را نشان میدهد.
شکل - - 1 ساختار کنترلی چند مرحلهای در میکروگرید
کنترل PQ
اینورتر به عنوان یک منبع توان عمل میکند و مقدار معینی از توان اکتیو و راکتیو را به شبکه تزریق میکند. این نقطه تعیین مقدار توان اکیتو و راکتیو توسط سیستم هوشمند ارایه و کنترل میشود. برای رسیدن به اجرا برتر معمولا از طرح خوشهای با حلقه بسته اینورتر استفاده میشود.
کنترل ولتاژ توزیع برای کیفیت توان راکتیو
محدودیت اصلی کنترل ولتاژ در[7]مورد بحث قرار گرفته و ارائه شده است. به طور کلی کنترل افت ولتاژ تقسیم توان راکتیو را تضمین نمیکند و هیچ تضمین و یا شرایط کلی برای سهم دهی - تقسیم - توان راکتیو داده نمیشود. بنابراین بر اساس[8] یک اجماع مبتنی بر کنترل ولتاژ توزیع3 برای ریز شبکه بر پایه اینورتر ارائه شده است. علاوه بر این در منبع [9] نشان داده شده است که DVC میتوانید از طریق خطیسازی با فیدبک مناسب با SGS استفاده شود. همانطور که در منابع [10] استفاده شده است. پس از آن، نمایش یک حلقه بسته از میکروگرید که با کنترل افت فرکانس و DVC پیشنهاد شده است
