بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله، به بررسی استراتژیهای کنترلی سطح اول ریزشبکهها که با لینک های مخابراتی قابل اعمال هستند پرداخته شده است. اینورترهای ولتاژ و اینورترهای جریان در این مقاله معرفی میشود و مزایا و کاربردهای آنها شرح داده شده است. کنترل سطح اول ریزشبکهها، یکی از سه سطح کنترلی اصلی میباشد که وظیفه اصلی آن حفظ پایداری سیستم بوده و به دو صورت با استفاده از لینکهای مخابراتی و بدون لینکهای مخابراتی قابل اعمال است. در این مقاله به بررسی نوع اول - با لینک مخابراتی - پرداخته شده و استراتژیهایی که تاکنون در این زمینه معرفی و به کار گرفته شده، معرفی گشته و به بررسی مزایا و معایب هر کدام پرداخته شده است.
-1 مقدمه
با افزایش تعداد منابع تولید پراکنده در شبکههای توزیع، نیاز به یکپارچهسازی و ادغام کردن شبکهها با یکدیگر احساس می شود. یکپارچه کردن و ادغام این منابع، بارها و سیستمهای ذخیره ی انرژی با یکدیگر در غالب یک ریزشبکه می تواند این نیاز را برطرف سازد
از آنجایی که اکثر منابع تولیدکننده از مدار های واسط الکترونیک قدرت در ریزشبکه بهره میبردند، روشهای کنترلی ویژهای برای مبدلهای الکترونیک قدرت این منابع در ریزشبکههای جزیره ای تاکنون مورد استفاده بوده است. این روشها توسط کنترلکنندههای خاص و با لینکهای مخابراتی و یا استراتژیهای کنترلی بدون رابط مخابراتی قابل اعمال میباشد. هریک از این استراتژیها، دارای مزایا و معایبی هستند که در تحقیقات مختلفی که تاکنون انجام گرفته است سعی بر رفع و بهبود روش هایمختلف این استراتژیها شده است. در بخش های بعدی به معرفی و بررسی و کاربرد استراتژیهای کنترلی با استفاده از رابطهای مخابراتی پرداخته می شود.
-2 اینورترهای کنترل شده با ولتاژ و جریان
منابع تولید پراکنده در مبحث کنترلی را، به دو دستهی اینورترهای کنترلشده با ولتاژ و اینورترهای کنترلشده با جریان می توان طبقهبندی کرد .[2] در حالت جزیرهای ریزشبکه، حداقل به یک واحد کنترلشده با ولتاژ نیاز داریم در غیر اینصورت ولتاژ مرجعی نخواهیم داشت و در ادامه بحث تعادل توان انجام نخواهد شد. نکتهی مهم این است که اینورترهای کنترل شده با ولتاژ بر اساس توان خود، قابلیت عکسالعمل نشان دادن در برابر تغییرات ناگهانی بار را دارند، و در مقابل اینورترهای کنترل شده با جریان، توان از پیش محاسبه شدهای را متناسب با بار به شبکه تزریق میکنند. واحد های کنترلشده با ولتاژ در توزیع توان و متعادل سازی شبکه ایفای نقش می کند. بررسی روشهای کنترل برای اینورترهای ولتاژی، کمک میکند تا بتوان به بحثهای کنترلی مربوط به واحدهای کنترلشده با جریان پرداخت، که می توان این نوع اینورترها را به عنوان بارهای منفی نیز در نظر گرفت
-1-2 اتصال اینورترها به ریزشبکه
سادهترین روش برای اتصال موازی یک اینورتر به شبکه استفاده از یک سلف موازی در خروجی اینورتر میباشد .[4] هر چند که استفاده از یک سلف بزرگ، اندازه و هزینهی سیستم را بالا خواهد برد. هرگاه جریان بار دارای هارمونیک باشد، ولتاژ خروجی نیز بشدت دچار انحراف - ناشی از حضور سلف ها - می شود. شکل دیگری از اتصال اینورتر به شبکه به کاربردن یک مقاومت سری در خروجی منابع میباشد، که مهمترین عیب این روش نیز افزایش تلفات توان میباشد
با این امپدانسها که در خروجی اینورترها دیده میشود، درصورتیکه امپدانس ترمینال ها و ولتاژهای خروجی با یکدیگر برابر باشند، جریان خروجی مبدلها به صورت مساوی و برابر توزیع می شود. هرچند که در واقعیت، پارامترهای مبدل دارای خطا و تلرانسهای متفاوتی هستند. در واقع توزیع بار، به تغییرات زاویهی فاز، امپدانس خط، مقادیر خروجی فیلتر LC و ... بستگی دارد. هنگامی که دو منبع در طول یک خط متصل باشند، کوچکترین انحراف در مقدار یا زاویه ی فاز باعث ایجاد جریانهای گردابی می شود، که این منجر به عدم کنترل بر توزیع توان میشود
به خاطر این حساسیت است که مبدلهای دارای فرکانس و ولتاژ ثابت نمیتوانند در این حالت - بطور موازی - به کار گرفته شوند. زیرا همیشه اختلاف ولتاژی به دلایلی نظیر خطای سنسورها، خطای مقادیر مرجع، افزایش دما، استهلاک و ... وجود دارد. با این تفاسیر، روشهای کنترل مختلفی برای کنترل ریزشبکه به کار برده می شود که در بخش های بعد به مرور آنها پرداخته می شود.
-3 سلسله مراتب سطوح کنترل در ریزشبکه ها
در جدیدترین ساختار کنترلی ارائه شده برای ریزشبکهها، ساختار کنترلی در سه سطح ارائه می گردد. این سه سطح، به صورت کنترل اولیه، کنترل ثانویه و کنترل ثالثیه است
کنترل اولیه - محلی - ، مختص به کنترل متغیرهای محلی از قبیل فرکانس و ولتاژ و همچنین جریان تزریقی به شبکه است. کنترل ثانویه به عنوان یک کنترلکننده خودکار مرکزی است و وظیفه آن جبران خطای حالت ماندگار و ولتاژ و فرکانس ریزشبکه است و مقادیر آنها را به سوی مقادیر نامیشان بازیابی میکند. کنترل ثانویه از سیستمهای ارتباطی و نظارتی در سطح گستردهای جهت هماهنگی بین کلیه واحدهای تولیدی استفاده مینماید و با توجه به اینکه زمان پاسخ این کنترلکننده میتواند در حدود دقیقه باشد، در مقایسه با کنترلکننده اولیه دارای دینامیک کندتری است.
لذا زمان عملکرد کنترل ثانویه از جمله موارد قابل توجه میباشد. کنترل ثالثیه نیز مسئول بهینهسازی عملکرد ریزشبکه و تنظیم فعل و انفعالات با شبکه توزیع از طریق کنترل نمودن مقادیر مرجع توان حقیقی و راکتیو در هر واحد تولید پراکنده است، که معمولا بر اساس معیارهای اقتصادی انجام میشود و ارتباط بین مصرف و منابع انرژی را متعادل مینماید
هدف از کنترل ثانویه، جبران انحراف ولتاژ و فرکانس در شبکه میباشد. بعد از اینکه در بار تغییراتی بوجود بیاید، کنترل ثانویه، اختلاف بین ولتاژ و فرکانس مرجع و نیز مقادیر اندازه گیری شده را تنظیم میکند. همچنین کنترل ثانویه، مدیریت black-start و نیز سنکرونسازی مجدد شبکه را از حالت جزیرهای به حالت متصل به شبکهی اصلی بر عهده دارد. کنترل ثانویه را میتوان به دو طریق کلی انجام داد: روش متمرکز و روش غیرمتمرکز. هنگامی که ریزشبکه، از حالت جزیره ای به حالت متصل به شبکه تغییر حالت داد، در مرحله کنترل ثالثیه، پخش توان اکتیو و راکتیو بین ریزشبکه و شبکهی دیگر با تنظیم ولتاژ و فرکانس ریزشبکه مدیریت میشود. مشابه مرحلهی کنترل ثانویه، میتواند به دو طریق این عمل را انجام دهد: روش متمرکز و روش توزیع شده
-4 راهبردهای کنترلی سطح اول
روشهای کنترل اولیه در ریز شبکه عهدهدار مسالهی پایداری ریزشبکه میباشند. برای رسیدن به اهداف تعریف شده در کنترل اولیه، روشها و استراتژیهای مختلفی مورد استفاده میباشد و همانطور که پیشتر بیان شد، عمدتا به دو دستهی کلی طبقهبندی میشوند: استراتژیهای کنترل با رابطهای مخابراتی، استراتژی های کنترل بدون رابط های مخابراتی. در این مقاله به مرور و بررسی استراتژیهای کنترل با لینکهای مخابراتی پرداخته شده است.
-5 استراتژی کنترل اولیه با رابطهای مخابراتی
در این استراتژی، ولتاژ به خوبی تنظیم میشود و توزیع توان مناسبی را خواهیم داشت. همچنین بر خلاف روشهای بدون ارتباط مخابراتی - مبتنی بر کنترل افتی - ولتاژ خروجی اینورترها به مقدار نامی نزدیکتر میباشد. هرچند از معایب این روش نیاز به ارتباط مخابراتی بین ماژولها میباشد که باعث گرانی و آسیبپذیری سیستم بخصوص در مسافتهای طولانی میشود. همچنین باعث کاهش قابلیت اطمینان و کاهش قابلیت توسعه ی سیستم شده، انعطافپذیری سیستم را پایین میآورد
برای پیادهسازی این نوع استراتژی، تاکنون روشهای مختلفی به کار گرفته شده است که در قسمت بعدی به بررسی آنها پرداخته شده است.
-1-5 روش کنترلکننده مرکزی
در این روش یک کنترلکننده مرکزی وظیفه هماهنگی و تعدیل توانهای حقیقی و راکتیو را در واسطهای الکترونیک قدرت در ریزشبکه و در حالت ماندگار بر عهده دارد .[19] در اینجا بین کنترلکننده مرکزی و هر واحد الکترونیک قدرت نیاز به یک رابط مخابراتی میباشد. یکی از قابلیتهای این روش، اینست که در حالت کنترلشده با ولتاژ میتواند به صورت single master عمل نماید .[20] در شکل 1 زیر بلوک دیاگرام این روش نشان داده شده است. در این شکل، بخشی از جریان بار که توسط کنترل کننده مرکزی دیده شده، به عنوان جریان مرجع در نظر گرفته میشود. برای تعداد N از ماژول های الکترونیک قدرت، جریان مرجع به صورت زیر بدست خواهد آمد:
همچنین کنترلکننده مرکزی، ولتاژ تصحیح ve را برای کنترل ولتاژ بار، vo ، در مقایسه با ولتاژ مرجع، vref، اندازه میگیرد. برای بدست آوردن ولتاژ مرجع vref ، روشهای مختلفی وجود دارد که در [21] به آنها اشاره شده است.
شکل :1 شماتیک کنترل کننده مرکزی
یک PLL صورت می پذیرد .[20] عیب این روش پایین بودن سرعت پاسخ سیستم - به جهت وجود - PLL برای توزیع توان کنترلی در شبکه میباشد. برای برطرف کردن این عیب از یک محدودکننده - central-limit control - استفاده میشود.
-2-5 روش Master/Slave
در این استراتژی کنترلی، از هر دو نوع کنترلکنندههای ولتاژ و کنترل کنندههای جریان استفاده میشود. در کنترلکننده مرکزی قسمت 1-5، مبدلها، جریان کل بار را با استفاده از ضرایب وزن دار توزیع میکنند. یکی از معایب این روش این ست که اگر بنابر به هر دلیلی، مثلا خاموش شدن یکی از واحدها و یا وقوع خطایی در برنامه ریزی، مجموع این ضرایب از عدد یک کمتر شود، جریان بار به خوبی تامین نخواهد شد .[22] در استراتژی Master/Slave ، فقط قسمت Master سیستم کنترلی، کنترل ولتاژ را بر عهده داشته و جریان لحظهای را تحویل میدهد. همچنین، انحراف ضرایب وزندار از عدد یک را جبران میکند
وظیفه این قسمت تنظیم ولتاژ خروجی و نیز بدست آوردن جریان مرجع برای هر یک از اینورترها میباشد. در مقابل واحدهای slave توزیع و هدایت جریان بدست آمده از واحدهای master را عهدهدار میباشند تا یک توزیع جریان متعادل بین واحد ها برقرار شود. در شکل 2 بلوک دیاگرام این استراتژی مشاهده میشود.
کنترلکننده مرکزی ابتدا تمام توان بار را اندازهگیری کرده، سپس مقدار نسبی متناسب با هر واحد را بین تمامی واحدها توزیع می کند. سایر واحدها نیز بر اساس ولتاژ شبکه، توان خروجی خود را متناسب با سیگنالهای دریافتی از کنترل مرکزی تغییر میدهند.
