بخشی از مقاله
خلاصه
با توجه به نگرانیهای زیستمحیطی و اقتصادی، ناشی از مصرف بیرویه سوختهای فسیلی، محققان به فکر استفاده از یک انرژی جایگزینی برای این حاملهای انرژی افتادند، از اینرو انرژیهای پاک و تجدیدپذیر به دلیل مزایی از قبیل گستردگی، عدم انتشار آلایندههای جوی و ... جایگزینی مناسب برای سوختهای فسیلی میباشند. انرژی باد و خورشید بهدلیل تکنولوژی به نسبت آسانتر و قابلیت استفاده در تمام نواحی، در بین منابع انرژی تجدیدپذیر بیشترین رشد را داشتهاند که استفاده از این منابع تولید پراکنده باعث ظهور ریزشبکهها در شبکههای قدرت شده است.
حضور منابع تولید پراکنده تجدیدپذیر و ریزشبکهها در شبکههای قدرت، علیرغم مزایای فراوان مشکلاتی برای سیستمهای قدرت به همراه دارند که عدم کنترل آنها میتواند باعث فروپاشی شبکه میشود. از جمله این مشکلات، میتوان به نوسانات ولتاژ و فرکانس هنگام وقوع رخدادهای محتمل همچون تغییرات شدید بار و یا خطا در سیستم قدرت اشاره کرد. در حالت کار جزیرهای، با توجه به عدم وجود شبکه بالادست بهعنوان توان پشتیبان، شدت و دامنه نوسانات و احتمال ناپایداری و فروپاشی ریزشبکه بهمراتب بیشتر است.
لذا وجود یک ساختار کنترلی کارا با عملکرد سریع، هنگام وقوع اغتشاش در سیستم ضروری است، از اینرو برای رسیدن به این هدف از یک کنترل مقاوم استفاده خواهیم کرد و کارایی آن را با تحلیل نتایج بررسی میکنیم. ریزشبکه مورد مطالعه در حالت مستقل از شبکه سراسری مورد بررسی قرار میگیرد. در این ساختار ولتاژ و فرکانس - توان اکتیو و راکتیو - خروجی هر DG اندازهگیری شده، سپس جهت کنترل و بازگرداندن ولتاژ و فرکانس DG ها به مقادیر نامی از یک کنترلکننده مقاوم استفاده خواهیم کرد.
ساختار سلسلهمراتبی کنترلکنندهها در استراتژی پیشنهادی به این شکل است که کنترلکنندههای اولیه یا محلی در بردارنده واحدهای تولید پراکنده میباشند که هر کدام شامل یک بلوک امپدانس مجازی هستند. کنترلکنندههای ثانویه، کنترلکننده مقاوم و کنترلکنندههای ثالثیه، برای یک محدوده خاصی از عملکرد سیستم میتوانند تنظیم شوند. هدف اصلی ارائه یک سیستم جهت تنظیم بهینه کنترلکننده مقاوم مورد استفاده جهت کنترل ولتاژ و فرکانس و همچنین تنظیم پارامترهای امپدانس مجازی ریزشبکهها میباشد.
.1 مقدمه
با رشد چشمگیر مصرف انرژی در سالهای اخیر، واحدهای تولید مرسوم در سیستمهای قدرت با مشکلات مختلفی همچون گرمایش زمین، کمبود سوختهای فسیلی، هزینه بالای احداث نیروگاههای جدید و غیره روبرو شدهاند که برای حل این مشکلات، یعنی رفع نگرانیهای زیستمحیطی، افزایش قابلیت اطمینان و عرضه هر چه بیشتر سیستمهای قدرت در محیطهای تجاری خصوصی، استفاده از منابع تولید پراکنده 1 - DG - در دهههای گذشته مطرح گردیده است. در منابع تولید پراکنده غالباً انرژی اولیه برای تولید برق، منابع انرژی پاک و تجدیدپذیر همچون باد، خورشید و گرمایش زمین است.
منابع تولید پراکنده در قالب توربینهای بادی، پانلهای خورشیدی، سلولهای سوختی و غیره به یاری سیستمهای قدرت مرسوم، در تغذیه بارهای الکتریکی آمدهاند 1]،.[2 در ساختار قدیم صنعت برق در کشورهای پیشرفته و وضعیت موجود بسیاری از کشورها، وظایف تولید، انتقال و توزیع توان بر عهده شرکتهای برق مجتمع بود. افزایش میزان تقاضای توان در چند سال اخیر، در بسیاری از کشورها موجب شد که این شرکتها نتوانند بهصورت مؤثر، جوابگوی این میزان تقاضای زیاد باشند. در نتیجه خاموشی، قطع برق و معیوب شدن تجهیزات و غیره در بسیاری از کشورها صورت گرفت و بهتبع آن قیمتها در دورههای پیک بهشدت بالا رفت.
این در حالی بود که همراه با رشد اقتصادی کشورها که منجر به افزایش میزان انرژی مورد نیاز آنها بود، مسئله کیفیت توان و قابلیت اطمینان شبکه اهمیت پیدا میکند، علاوه بر این، بحران نفت در سال 1973 موجب شد که بسیاری از کشورهایی که در صنعت خود به سوختهای فسیلی وابسته بودند، در پی یافتن جایگزینی مناسب برای این سوختها باشند.
همچنین با افزایش آگاهی عمومی در مورد مسائل زیستمحیطی، یافتن جایگزین مناسب برای سوختهای فسیلی اهمیت بیشتری پیدا کرد. مطالعات انجام شده نشان میدهد که انرژیهای تجدیدپذیر شامل انرژی خورشید، باد، آب، زمین گرمایی و غیره و که از نظر زیستمحیطی تمیز بوده، میتوانند جایگزین مناسبی برای سوختهای فسیلی باشند. بدینترتیب عواملی مانند تجدید ساختار صنعت برق، نیاز به افزایش ظرفیت سیستم و پیشرفت تکنولوژی بهطور همزمان، پایه و اساس معرفی تکنولوژیهای تولید پراکنده میباشند.
تولید پراکنده، یک منبع توان الکتریکی است که به شبکه توزیع متصل میشود و حتی مستقیماً در کنار مصرفکننده قرار میگیرد .[3] هدف از پیدایش منابع تولید پراکنده کم کردن میزان وابستگی سیستمهای قدرت به سوختهای فسیلی و در نتیجه انتشار کمتر گازهای گلخانهای، کاستن تراکم و تلفات از خطوط انتقال و توزیع و همچنین کاستن یا به تعویق انداختن سرمایهگذاری در زمینه احداث خطوط انتقال/ توزیع و نیروگاههای جدید است.
نصب تولید پراکنده در پایدار نگهداشتن ولتاژ، اصلاح ضریب توان، تزریق قدرت اکتیو، حفظ فرکانس و نهایتاً بهبود کیفیت توان شبکه تأثیر مثبت دارد. بهکارگیری تولید پراکنده در سیستمهای قدرت مزایای زیستمحیطی، اقتصادی و فنی بسیار زیادی را به دنبال دارد. برای رسیدن به این مزایا تولیدات پراکنده باید دارای اندازه مناسب بوده و در مکانهای مناسب نصب شوند.
در کنار مزایای زیادی که منابع تولید پراکنده دارند، شامل مشکلاتی هستند که عملکرد آنها را تحت تأثیر قرار میدهند، از جمله این مشکلات میتوان هزینه بالای خرید منابع تولید پراکنده، فقدان استانداردهای لازم در زمینه کیفیت توان و کیفیت پروفایل ولتاژ و فرکانس ریزشبکهها، نگهداری از این منابع از جمله مشکلاتی است که میتوان به آن اشاره کرد.
امروزه تغییرات وسیعی در هر دو حوزه انتقال و توزیع سیستمهای قدرت در حال وقوع است. تراکم حضور مزارع بادی2 بزرگ، منابع زمین گرمایی3 و خورشیدی در سطوح انتقال و منابع تجدیدپذیر1 کوچک همانند سلولهای خورشیدی2، سلولهای سوختی3 در سطوح توزیع روزبهروز بیشتر میشود. این افزایش حضور منابع تجدیدپذیر در سیستمهای توزیع، ساختار جدیدی بنام ریزشبکه4 را بهوجود میآورد .[4]
ریزشبکهها بخش کوچکی از شبکه قدرت هستند که بهطور مستقیم به شبکه توزیع متصل میشوند و برای همسانسازی با شبکه از یک مبدل الکترونیک قدرت استفاده میکنند. هر ریز شبکه از چندین منبع تولید پراکنده تشکیل شده است که وظیفه اصلی آن تأمین توان مصرفی بارهای محلی است. منابع تولید پراکنده در ریزشبکهها میتوانند ژنراتورهای بادی، میکروتوربینها 5، سلولهای خورشیدی، سلولهای سوختی و یا منابع ذخیرهساز انرژی 6 همچون باتریها، چرخ طیارها7 و خازنهای انرژی باشند.
در واقع ریزشبکهها، شبکههای قدرت کوچکی هستند که بر روی منابع تولید پراکنده و تجدیدپذیر انرژی متمرکز بوده تا توان الکتریکی مطمئن، ارزان، کارآمد و سازگار با محیطزیست را به مصرفکنندگان تحویل دهند و در کل امنیت و قابلیت اطمینان شبکه اصلی را ارتقاء دهند. ریزشبکهها در مکانهایی مانند بلوکهای اداری، سایتهای صنعتی، مراکز خرید و محوطههای دانشگاهی میتوانند بهکارگرفته شوند .[5]
ریزشبکهها از دستهای از منابع تولید پراکنده و بارهای محلی تشکیل شدهاند که میتوانند در هر دو حالت وصل و قطع از شبکه سراسری به تغذیه بارهای محلی ادامه دهند. دو دسته اصلی ریزشبکه موجود میباشد، یکی منابع DC همانند سلولهای سوختی و خورشیدی و دیگری منابع فرکانس بالای AC همانند میکروتوربینها هستند که نیاز به یکسوسازی دارند، در هر دو حالت بایستی ولتاژ DC بهدست آمده به ولتاژ AC قابل قبول تبدیل شود .[3] ساختار کلی یک ریزشبکه در شکل 1دیده میشود.
ریزشبکه و شبکه سراسری در نقطه اتصال مشترک PCC8 توسط کلید قدرت به شبکه اصلی متصل میشود. هر واحد تولید پراکنده توسط یک واسط الکترونیک در نقطه اتصال POC9 به ریزشبکه متصل میشود .[6] یک ریزشبکه در شرایط عادی به شبکه اصلی قدرت متصل بوده و میتوانند بخشی از انرژی مورد نیاز خود را از شبکه تأمین میکنند و یا در مواردی توان مازاد بر نیاز خود را به شبکه سراسری تحویل دهد؛ اما طراحی، کنترل و استراتژیهای عملکرد یک ریزشبکه بهگونهای است که میتواند در صورت نیاز، جدا از شبکه قدرت با تأمین حداقل بخشی از بارهای خود بهصورت جزیرهای و خودگردان، به کار خود ادامه دهد .[7]
