بخشی از مقاله
چکیده -
منابع تولید پراکنده بر اساس انرژیهای تجدیدپذیر معمولا" به خاطر اینکه اغلب، تولید توان وابسته به شرایط طبیعی - خورشید و باد - است، غیر قابل پیشبینی میباشند و درصورت وجود تعداد زیادی از این مولدها در شبکه و در حالی که مسائل کنترل و پایداری به درستی در نظر گرفته نشود، منجربه اختلالات مهمی مانند مشکلات تنظیم ولتاژ، کاهش بازدهی و کارایی شبکه و افزایش عدم تعادل ولتاژ میشوند.
مهمترین عامل محدودکننده منابع DG ظرفیت انتقال نیست، بلکه محدوده تغییرات ولتاژ است. با روش ارائه شده در این مقاله و کنترل غیرمتمرکز مولدهای فتوولتائیک علاوه بر جلوگیری از اضافه یا افت ولتاژ در شبکه، پروفیل ولتاژ نیز بهبود مییابد. کنترل غیرمتمرکز، مبتنی بر روش دروپ است و صحت عملکرد آن در یک شبکه 38 باسه در مد جزیره ای با پنج مولد فتوولتائیک متصل به آن که به صورت مجزا کنترل میشوند، در محیط SIMULINK/MATLAB بررسی شده است.
-1 مقدمه
یک ریزشبکه برای عملکرد مناسب و انجام همه وظایف خود به یک سیستم کنترل دقیق نیازمند است. یکی از تواناییهای ریزشبکه، قابلیت آن در جداسازی بخش تولید و بارهای مربوطه از شبکه توزیع است؛ که این توانایی در جزیرهای شدن منجر به افزایش قابلیت اطمینان محلی و رسیدن به کیفیت توان بهتر برای بارهای موجود در شبکه میشود. در مد جزیرهای، DGها باید توانایی کنترل ولتاژ و فرکانس را دارا باشند.
بعلاوه ریزشبکه نیازمند یک استراتژی تقسیم توان دقیق بین DGها به منظور اطمینان از عدم عملکرد هر یک از منابع تولید پراکنده میباشد. از جمله وظایفی که سیستم کنترل در مد جزیرهای باید داشته باشد؛ میتوان به کنترل ولتاژ و فرکانس، تقسیم مناسب بار بین منابع انرژی پراکنده و حفظ پایداری ریزشبکه اشاره کرد. هدف اصلی در کنترل ریزشبکه ردیابی مناسب فرکانس و ولتاژ و تقسیم توان مناسب بین DGها است.
با وجود مزایای خوب تولید پراکنده [1]و [2]، عدم قطعیت مربوط به غیر قابل پیش بینی بودن انرژی های تجدیدپذیر مانند منابع خورشید و باد می تواند منجر به مشکلات مربوط به کیفیت، امنیت، بهرهبرداری، تولید و تحویل توان و مشکلات تنظیم ولتاژ شود. اساسا" ساختار ریزشبکهها در مد جزیره ای، مبتنی بر روشهای کنترل توان اکتیو و راکتیو ریزشبکهها با هدف تنظیم ولتاژ و فرکانس، به دو روش کنترل متمرکز و غیرمتمرکز تقسیم بندی می شوند. روش غیر متمرکز به دلایلی همچون قابلیت اطمینان بالا، ساختار ارتباطی ساده، لینک های ارتباطی یک جهته و هزینه عملیاتی پایین نسبت به روش متمرکز ارجحیت دارد.
در مرجع[3] ترکیب استراتژی کنترل توان راکتیو متمرکز/غیرمتمرکز برای سیستمهای متصل به شبکه ولتاژ پایین ارائه شده است. روش ارائه شده عملکرد مناسب در تنظیم ولتاژ کل شبکه و یا تنظیم ولتاژ به صورت محلی را تضمین میکند.
در [4] به مقایسه روش ها ی متمرکز و غیرمتمرکز - محلی - برای کنترل توان راکتیو پرداخته شده است. نتایج نشان می دهد که برای خطوط تغذیه - فیدر - واقعی، یک روش کنترل محلی ساده، در مقایسه با زمانی که از کنترل متمرکز استفاده میشود، میتواند باعث صرفه جویی 80 درصدی در تلفات شود.
کنترل ولتاژ نقش مهمی را در شبکه های توزیع بخصوص در زمان وجود منابع تجدیدپذیر متعدد در شبکه ایفا میکند. هدف از [5] کنترل ولتاژ از طریق جبران توان راکتیو می باشد. برای این منظور دو الگوریتم کاملا" غیرمتمرکز، از طریق افزودن مقدار کمی اطلاعات اضافی به کنترلر طراحیشده، پیشنهاد شده است.
در[6] از روش کنترل ولتاژ غیر متمرکز برای اینورترهای PV به منظور کاهش نوسانات ولتاژ استفاده شده است. به جای کار در مد MPPT، هر اینورتر PV قادر به تنظیم توان اکتیو و راکتیو؛ به ترتیب بر اساس مشخصه های مقاومتی و القایی در مکان نصب میباشد.
برای کنترل ولتاژ در شبکه های توزیع ولتاژ متوسط یک روش کنترل غیر متمرکز پیشنهاد شده است که بر اساس آن در هر گره خاص، تخمین محلی تغییرات سطح ولتاژ در گره مجاور، توسط اندازه گیری لحظه ای جریان خطوط ورودی و خروجی است. اگرچه اندازهگیری ها به صورت محلی است؛ امکان توسعه استراتژی کنترل ولتاژ و محاسبات، برای سه باس مجاور وجود دارد.
در میان الگوریتم های به کاربرده شده، ترکیب روش کنترل PQ برای اینورتر PV موجود در میکروگرید برای آنالیز این مدل تحت شرایط عدم تعادل و استفاده از استراتژی کنترل جریان توالی مثبت و منفی به منظور جلوگیری از جریان منفی و کاهش وضعیت نامناسب ولتاژ شبکه نامتعادل شده، مفید است.[8] زمانی که ولتاژ شبکه نامتعادل است، ولتاژ شامل جزء توالی مثبت و منفی است. برای حذف مؤلفه منفی ولتاژ، اینورتر PV باید جریان توالی منفی به مقدار نیاز تولید کند تا اجازه جذب مؤلفه منفی ولتاژ توسط امپدانس شبکه داده شود.
در این مقاله، بر خلاف کارهای صورت گرفته که در آن بارهای غیر محلی به صورت متمرکز در یک باس بین دو منبع فتوولتائیک قرار گرفته اند، بررسیها در یک شبکه 38 باسه در مد جزیره ای و در حالی که تمام باسها شامل بارهای غیر محلی هستند، صورت گرفته است.
در بخش دوم این مقاله مشخصات و ساختار شبکه و منابع فتوولتائیک و نحوه تعیین میزان توان اکتیو و راکتیو منابع فتوولتائیک توسط اجرای پخش بار توصیف شده است. سپس در بخش سوم به شرح سیستم کنترلی پرداخته شده است و در بخش چهارم نتیجه حاصل از بررسیها و شبیه سازیهای صورت گرفته بیان شده است.
-2 شبکه مورد مطالعه
شبکه 38 باسه فشار متوسط - 12660ولت - توسط پنج منبع فتوولتائیک تغذیه میشود. ساختار شبکه 38 باسه در شکل 1 نشان داده شده است. در فشار متوسط میتوان از خاصیت خازنی خطوط صرف نظر کرد. بنابراین خطوط انتقالی در شبیهسازی مقاومتی/سلفی هستند. بارهای متصل به شبکه در هر کدام از باسها به صورت یک بار سه فاز متعادل مقاومتی/سلفی در نظر گرفته شده اند. بارها با آرایش ستاره زمین شده، ولتاژ و فرکانسی برابر با ولتاژ و فرکانس نامی و از نوع PQ ثابت میباشند. کل بارهای شبکه توانی برابر با 3715 کیلووات و توان راکتیوی معادل با 2300 کیلووار دارند. مشخصات کامل خطوط وبارهای متصل به شبکه در مرجع [9] ارائه شده است.
شکل :1 شبکه تست 38 باسه
-1-2 مشخصات منابع فتوولتائیک متصل به شبکه
مولدهای فتوولتائیک به باسهای 34 تا 38 متصل شده اند. منابع فتوولتائیک توسط سلول فتوولتائیک موجود در کتابخانه سیمولینک متلب مدل شده اند. شماتیک کلی از مولد فتوولتائیک و اجزای متصل به آن در شکل 2 نشان داده شده است. سلول فتوولتائیک قابلیت بررسی عدم قطعیت را با تنظیم میزان تابش و دما دارد.
شکل :2 شماتیک کلی مولد فتوولتائیک و اجزای متصل به آن
هر کدام از منابع قادر به تولید توان قابل تنظیم هستند. در ابتدا با اتصال منابع سه فاز ایده آل و انجام چندین مرحله پخش بار در شبکه، توان اکتیو و راکتیو تولیدی لازم برای هر کدام از منابع فتوولتائیک، به منظور قرار گرفتن ولتاژ در محدوده مجاز بدست آمده است . این مقادیر در جدول 1 ارائه شده اند. سلولهای خورشیدی متشکل از آرایههایی هستند که با اتصال سری و موازی به هم سلول خورشیدی با ولتاژ و توان مدنظر را
ایجاد میکنند. تعداد آرایههای سری و موازی لازم برای تولید توان اکتیو برای هر کدام از سلولهای خورشیدی در جدول 1 ارائه شده است.
جدول :1 تعداد آرایههای موازی و سری شده و توان اکتیو و راکتیو تولیدی سلولهای خورشیدی
برای حذف اغتشاشات احتمالی و تثبیت ولتاژ در خروجی سلول خورشیدی از خازن استفاده شده است.
تجهیزات الکترونیک قدرت منابع تولید جریان و ولتاژ هارمونیکی میباشند. در مبدلها با توجه به استفاده از موج PWM با فرکانس بالا، دامنه هارمونیکهای مرتبه بالا؛ پایین است و با استفاده از فیلترهای نصب شده بین اینورتر و شبکه سراسری میتوان این هارمونیکها را کاهش داد. برای حذف هارمونیک ولتاژ خروجی اینورتر، از یک فیلتر RLC استفاده شده است. مقادیر پارامترهای مربوط به فیلتر RLC در جدول 2 ارائه شده است.
جدول :2 پارامترهای فیلترهای RLC و خازن لینک dc
-3 طراحی کنترل کننده
کنترلکننده مد نظر برای کنترل شبکه متعادل در شکل 3 ارائه شده است که شامل مدیریت توان، کنترلکننده ولتاژ و کنترلکننده جریان میباشد. نکته قابل توجه این است که هر DG توان نوسانی بار محلی خود را جبران میکند. اما مؤلفههای توان نوسانی بارهای غیر محلی بین همه واحدهای DG تقسیم میشوند.
-1-3 کنترلکننده توان
یکی از روشهای کنترل توان روش افتی است. در این تکنیک از تنظیم فرکانس و دامنه ولتاژ خروجی برای جبران توان اکتیو و راکتیو استفاده میشود. در روش افتی توان اکتیو و راکتیو مؤلفه اصلی محاسبه و سپس از روی مشخصه افتی، فرکانس و دامنه ولتاژ تنظیم میشود. روش دروپ نیاز به زیرساخت مخابرتی ندارد. در این حالت اینورتر به عنوان یک منبع ولتاژ با اندازه ولتاژ و فرکانس کنترل شونده عمل میکند. توان اکتیو و راکتیوی که توسط هر واحد DG به شین تزریق میشود به صورت زیر بیان میشود.
E و V به ترتیب دامنه ولتاژ خروجی اینورتر و باس مشترک میباشند، زاویه قدرت و Z و به ترتیب اندازه و فاز امپدانس خط واسط بین اینورتر و باس مشترک میباشند.
در سیستم کنترلی پیشنهادی، ولتاژ و جریان خروجی از ترانس متصل به مولد فتوولتائیک به عنوان ولتاژ و جریان مرجع استفاده شدهاند. ولتاژها و جریانها توسط تبدیل کلارک به مرجع و منتقل میشوند.
توان اکتیو و راکتیو مولدهای فتوولتائیک در مرجع کلارک توسط روابط زیر بدست میآیند.
- 4 - p = Vα Iα + Vβ Iβ
- 5 - q = Vβ Iα − Vα Iβ
توان لحظه ای محاسبه شده شامل مولفه dc و مولفه - acنوسانی - است. مولفههای dc توالی مثبت توان اکتیو و راکتیو هستند
