بخشی از مقاله
چکیده -
کنترل سطح اول ریزشبکهها، یکی از سه سطح کنترلی اصلی میباشد که وظیفه اصلی آن حفظ پایداری سیستم میباشد و به دو صورت با استفاده از لینکهای مخابراتی و بدون استفاده از لینکهای مخابراتی قابل اعمال است. در این مقاله، به بررسی استراتژیهای کنترلی سطح اول ریزشبکهها که بدون لینکهای مخابراتی قابل اعمال هستند پرداخته شده است. همچنین، در این مقاله استراتژیهایی که تاکنون در این زمینه معرفی و به کار گرفته شده است معرفی شده است. و به بررسی مزایا و معایب هر کدام پرداخته شده است.
-1 مقدمه
بسیاری از کشورها به استفاده از تکنولوژی ریزشبکهها توجه روزافزونی دارند. ریزشبکه، شبکهای کوچک درسطح ولتاژ توزیع است که به کمک منابع تولید پراکنده، به منظور تامین بارهای الکتریکی و گرمایی مکانهای کوچک از قبیل خانهها، دانشگاه ها و مناطق تجاری و صنعتی طراحی شده است. استفاده از منابع تولید پراکنده کوچک که از انرژیهای تجدیدپذیر برای تولید برق استفاده میکنند مزایای بسیار زیادی دارد که برخی از آنها عبارتند از: کاهش آلودگی، کاهش هزینههای تولید و در برخی از موارد بازده تولید انرژی بالاتر.
منابع تولید پراکنده جایگزین مناسبی برای گسترش و توسعه خطوط انتقال انرژی و شبکههای توزیع که بسیار پرهزینه و زمانبر هستند میباشند. از طرف دیگر، در بسیاری از موارد تکنولوژی تولید پراکنده به دلیل سایز کوچک و زمان احداث و نصب بسیار کوتاه آنها قابلیت انعطاف بالایی را در مقایسه با نیروگاههای متمرکز و بزرگ در اختیار بهرهبرداران شبکه قرار میدهند. در مقابل برای استفاده بهینه از این منابع و همچنین بالا بردن قابلیت اطمینان ریزشبکهها، نیاز به کنترل دقیق و سریع ریزشبکه و اینورترهای آن می باشد. از اینرو استراتژیها مختلف کنترلی در سطوح مختلف ارائه و به کارگرفته شده است .[5-1] در این مقاله به بررسی استراتژیهای کنترلی سطح اول ریزشبکهها که بدون لینکهای مخابراتی اعمال میشوند پرداخته شده است.
-2 استراتژیهای کنترل بدون رابطهای مخابراتی
در این نوع استراتژیها، بین واحدها لینک و یا ارتباطی وجود ندارد، و کنترل اولیه بر مبنای روش کنترل افتی انجام میشود. این استراتژی زمانی ضروری خواهد بود که در شبکه از اینورترهای کنترل از راه دور و بیسیم استفاده شود. بدین ترتیب قابلیت توسعهی سیستم راحتتر شده، و نیازی به نظارت دائم و بررسی قابلیت اطمینان سیستم، تا همیشه در یک سطح قابل قبول باشد، نیست. همچنین از پیچیدگی سیستم و هزینههای سنگین، جلوگیری میشود. به همین دلیل این روش غالبا برای مسافتهای طولانی استفاده میشود.
با این حال این روش نیز دارای معایبی نیز میباشد . نظیر: دقیق نبودن توزیع توان و نوسان داشتن ولتاژ، نامتعادل بودن جریان توزیع شده و نیز وابسته بودن به امپدانس خروجی اینورتر. مشکل دیگری که در این روش مشهود است اینست که کنترل کنندههای محلی هر مبدل بسیار پیچیدهتر از حالت قبل میباشند .[6] با این حال، با وجود این چالشهای پیش رو، برای به حداقل رساندن و بهینه ساختن بحث کنترل ریزشبکهها، در استراتژیهای بدون استفاده از رابطهای مخابراتی، روشهای مختلفی پیشنهاد شده است که در ادامه به بررسی آنها پرداخته شده است.
-1-2 کنترل افتی P/f
در خطوط انتقال، ژنراتورهای سنکرون را با این روش کنترل و تجهیز میکنند. هنگامی که توان - خروجی - واحد تولیدی بیشتر از توان مکانیکی ورودیاش باشد، ژنراتور به واسطهی اینرسی خود، بتدریج سرعتش کمتر می شود. فرکانس در ولتاژ ترمینال کاهش مییابد و در چنین حالتی زاویه فاز ولتاژ و نیز توان ac خط هم کاهش مییابد. و به این ترتیب یک سیستم تنظیم توان خودکار داریم. فرکانس یک پارامتر اصلی میباشد، و در تمام سیستم ثابت است، و پارامتر سرعت چرخشی ژنراتورها مستقیما به آن وابسته است. هر ژنراتور سرعت خود را اندازه می گیرد، و با استفاده از این روش، با یک شیب منفی سرعت خود را کاهش داده تا توان مکانیکی ورودی خود را تغییر دهد. با این کار توزیع توان به طور دقیق بین تمام ژنراتورها صورت میپذیرد
-1-1-2 کنترل افتی P/f معمولی
روش کنترل افتی، برای کنترل ریزشبکههای جزیرهای معرفی شدهاند .[12-9] اساس کنترل افت P/f بر مبنای رفتار عملکردی ژنراتورهای سنکرون میباشد. در شبکههای برق معمولی، کنترل افتی، توان P را بر مبنای فرکانس شبکه تغییر می دهد که فرکانس شبکه نیز به اینرسی ماشینهای سنکرون وابسته میباشد. در ریزشبکهها، این اینرسی وجود ندارد و لذا کنترل افتی P/f بر مبنای مشخصههای خط خواهد بود. معادلات پخش توان در این حالت با در نظر گرفتن امپدانس خط به صورت Z=R+jX ، مطابق با معادلات 1و 2 خواهد بود.
برای خطوط سلفی و با صرف نظر از R، همچنین کوچک بودن زاویهی ، که در آن و ، معادلات پخش توان به صورت زیر در خواهند آمد:
بنابر آنچه گفته شد، در شبکههای سلفی، بین توان حقیقی و زاویه فاز ، و همچنین بین توان راکتیو و ولتاژ رابطهای وجود دارد. در بحث کنترل، فرکانس را به جای زاویه فاز در نظر میگیرند. چون هر واحد به مقدار اولیهی زاویهی فاز واحدهای دیگر دسترسی ندارد. از آنجایی که بین فرکانس دریافتی هر واحد و فرکانس مرجع سیستم اختلاف وجود، باید این اختلاف جبران شود.
بر این اساس در روش کنترل افتی P/f، توان P در شبکه براساس فرکانس اندازهگیری شده تنظیم میشود. در واقع در این حالت توان P برحسب تابعی از فرکانس f تنظیم میشود . P - f - اما در ریزشبکهها که بر اساس مبدلهای الکترونیک قدرت کار می کنند، محاسبهی فرکانس لحظهای پیچیده است، در مقابل اندازهگیری توان اکتیو راحتتر میباشد. به عبارت دیگر فرکانس یک مبدل به صورت مستقل از سایر پارامترها کنترل میشود، این در حالیست که فرکانس در ژنراتورهای سنکرون به سرعت چرخشی آنها وابسته میباشد. بنابراین، اینطور میتوان گفت که، عمل کنترل اُفت و یا کنترل توان، با کمک فرکانس f انجام میشود، که خود تابعی بر حسب توان P اندازهگیری شده است
بر اساس آنچه گفته شد، روابط کنترل افتی، در این حالت به صورت زیر خواهد بود:
نحوه انتخاب ضرایب KP و KQ ، از یک طرف بر پایداری شبکه و از طرف دیگر بر سرعت سیستم و میرایی آن، تاثیرگذار خواهد بود.لذا در هنگام انتخاب ضرایب کنترل اُفتی، بین دو عامل سرعت و پایداری باید مصالحهای انجام شود.
عملکرد این روش به صورت بلوک دیاگرام در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل :1 طرح شماتیک استراتژی کنترل افتی P/f معمولی
روش کنترل افتی معمولی دارای معایب و ایراداتی می باشد. از آن جمله میتوان به وابستگی آن به امپدانس خط، دقیق نبودن تنظیم توان های P و Q، و نیز کُند بودن پاسخ حالت گذرا اشاره کرد. مهمترین مزیت این روش سادگی آن است، زیرا در آن اینورترها نیازی به ارتباط مخابراتی با یکدیگر ندارند، به همین دلیل سیستم دارای قابلیتاعتماد و نیز انعطافپذیری بالایی میباشد.
اما در مقابل، عمل تنظیم ولتاژ و نیز پاسخ حالت گذرا سیستم نامناسب بوده، و جریان های هارمونیکی نیز به خوبی توزیع نمیشوند. همچنین در این روش بین میزان کنترل ولتاژ و فاکتور دقت توزیع توانهای P و Q رابطهی عکس وجود دارد
در انتخاب ضرایب معادلات این روش نیز بین میزان شدت کاهش - اُفت - ، و پایداری شبکه رابطهی عکس وجود دارد. به این ترتیب که انتخاب ضرایب بزرگ - کاهش سریع - ، عمل توزیع و تامین بار را سریعتر ولی پایداری سیستم را کاهش می دهد. ضرایب کوچکتر، پایداری سیستم را تضمین ولی سرعت عمل کنترل سیستم را کند می کنند. مشکل دیگر این روش اینست که قادر نیست جلوی هارمونیکهای ولتاژ را بگیرد 17]،15،.[8 در قسمت های بعد به بررسی این عیبها و روشهای پیشنهادی ارائه شده تاکنون برای رفع آنها پرداخته میشود.
-2-1-2 پارامتر مشتقگیر
از آنجایی که تغییرات زیاد بار در ریزشبکههای کوچک بسیار اتفاق می افتد، برای بهبود دینامیک سیستم، یک پارامتر مشتقگیر به معادلات کنترل افتی اضافه میشود. در نتیجه آن، از اضافه جریانهای لحظهای بزرگ در زمان راهاندازی واحدها جلوگیری شده و جریانها محدود خواهد شد .[18] معادلات کنترل افتی به صورت زیر خواهد بود:
-3-1-2 امپدانس خروجی مجازی
برای از بین بردن وابستگی P/Q ، یک سلف مجازی را میتوان در نظر گرفت، که به عنوان یک امپدانس سلفی مجزا و بدون ارتباط با امپدانس خط می باشد. همانطور که در شکل 2 مشاهده میشود، یک امپدانس مجازی در اینورتر به همراه حلقههای کنترل سریع به کار گرفته شده است.
شکل :2 طرح شماتیک استراتژی امپدانس خروجی مجازی
