بخشی از مقاله
چکیده -
یک ریزشبکه را میتوان مجموعهای از دستگاههای تولید پراکنده مانند سلولهای خورشیدی ،سلولهای سوختی ، میکرو توربینها و سیستمهای ذخیره کننده انرژی همراه با مبدلهای الکترونیک قدرت و بارها دانست که میتوانند در دو حالت متصل به شبکه و خودکار - جزیرهای - کار کند. کنترل ولتاژ و فرکانس بار یکی از بحثهای موردتوجه در ریزشبکه ها میباشد.
برای کنترل مؤثر ولتاژ و فرکانس و رسیدن به یک توازن در تولید و مصرف توان از کنترلکنندههای فازی برای کنترل ریزشبکه ها استفاده میشود. یکی از کنترلکنندههای بسیار محبوب در همه سیستمها کنترلکننده PI میباشد که در مورد ریزشبکه ها نیز کاربرد دارد که از این کنترلکننده در بخش VSC ریزشبکه استفاده میشود. اما یکی از مشکلات رایج در این نوع کنترلکننده برای سیستم موردنظر، وابستگی به مدل ریاضی سیستم میباشد، این در حالی است که در اکثر مواقع مدل ریاضی سیستمهای الکترونیک قدرت ناقص تعریفشدهاند. مشکل دیگر در مورد این نوع از کنترلکنندهها این است که تضمینی برای مواجهه با تغییرات ناگهانی بار ندارند. با توجه به موارد گفتهشده اخراًی تمایل به کنترلکنندههای هوشمند بهخصوص کنترل فازی برای سیستمهای قدرت بیشتر شده است بهاینعلت که در برابر تغییرات ناگهانی بار تقرباًی بهصورت هوشمند متناسب با شرایط تغییر میکنند.
-1 مقدمه
افزایش آلودگیهای ناشی از سوختهای فسیلی ازیکطرف و افزایش تقاضای انرژی از طرف دیگر باعث شده است تا منابع تجدید پذیر انرژی که بر پایه تولیدات پراکنده - DG - میباشند بهشدت موردتوجه قرار بگیرند. به همین خاطر تلاش برای تأمین انرژی الکتریکی از منابع تجدید پذیر انرژی همچون باد، خورشید، سوختهای زیستی و ... روزبهروز افزایش میابد.
یک ریزشبکه را میتوان مجموعهای از سیستمهای تولید پراکنده و سیستمهای ذخیره کننده انرژی همراه با مبدلهای الکترونیک قدرت و بارها دانست که میتوانند در دو حالت متصل به شبکه و خودکار - جزیرهای - کار کند . بنابراین در بسیاری از مقالات سعی شده است کنترل ریزشبکه ها را همراه با منابع تولید پراکنده بررسی کنند . ازجمله مهمترین پارامترهایی که در ریزشبکه ها باید کنترل شوند میتوان به ولتاژ، فرکانس و توانهای انتقالی در آنها اشاره کرد. در ادامه تعدادی از مقالاتی که تاکنون کنترل ریزشبکه ها همراه با منابع تولید پراکنده پرداختهاند، بررسی میشوند.
در مراجع [ 1-3] ترکیبهای مختلفی از ریزشبکه ها در حالتهای متصل به شبکه و خودکار ارایه شده است. در این مراجع کنترلکنندههای مرسوم همچون کنترلکننده تناسبی - انتگرالی - PI - برای کنترل مبدل منبع ولتاژ - VSC - مورداستفاده قرارگرفته است. ازجمله مشکلات رایج در طراحی این کنترلکنندهها برای سیستم غیرخطی ریزشبکه، وابستگی به مدل ریاضی سیستم میباشد در حالی که تجهیزات الکترونیک قدرت اغلب دارای مدل ریاضی ناقصی میباشند. بنابراین این کنترلکنندههای مرسوم نمیتوانند عملکرد مطلوب سیستم را در مقابل تغییرات ناگهانی بار یا اغتشاشات تضمین کنند. اخیرا کنترلکنندههای پیشرفتهای همچون کنترلکنندههای پیشبین [4] ، کنترلکنندههای مد لغزشی [5] ، کنترلکنندههای [6] ∞ برای بهبود عملکرد حالت ماندگار و حالت گذرای سیستم مورداستفاده قرار میگیرند. نکته قابلتوجه در مورد همهی این روشها محاسبات تحلیلی پیچیده در آنها میباشد.
برای غلبه بر این مشکل تکنیکهای هوشمند بهطور گسترده مورداستفاده قرار میگیرند. در مرجع [7] کاربرد کنترلکنندهی شبکه عصبی برای تنظیم پارامترهای کنترلکنندهی PI بررسیشده است. کنترلکننده منطق فازی نیز یکی از روشهای کنترل هوشمند میباشد که نیازی به معادلات ریاضی سیستم ندارد و در مقایسه با کنترلکنندههای مرسوم عملکرد بهتری دارد. این روش کنترلی در برابر تغییرات پارامتری و تغییر شرایط کاری مقاوم میباشد.[8] در[9] کنترلکننده فازی برای کنترل ولتاژ بخش DC مبدل منبع ولتاژ - VSC - مورداستفاده قرارگرفته است. در [10] تعقیبکنندهی نقطه توان ماکزیمم بر اساس روش کنترل فازی برای سیستم خورشیدی همراه با سیستم ذخیره کنندهی انرژی مورداستفاده قرارگرفته است.
باتوجه به اینکه روش کنترل فازی در برابر تغییرات ناگهانی نقطه کار و بروز خطاهای مختلف در ریزشبکه عملکرد مطلوبی دارد و همچنین نیاز به معادلات ریاضی سیستم ریزشبکه ندارد، لذا در این مقاله سعی بر آن است که به کمک کنترلکنندهی فازی کیفیت توان ریزشبکه جزیرهای را در حد مطلوب حفظ کرد. دو پارامتر اصلی در بحث کیفیت توان دامنه ولتاژ و فرکانس میباشد. با توجه به استاندارد شبکه برق دامنهی ولتاژ در سطح توزیع ثانویه 380 ولت و فرکانس معادل 50 هرتز میباشد و درصد تغییرات مجاز معادل 5 درصد برای ولتاژ و 1 درصد برای فرکانس میباشد.
-2 ساختار ریزشبکه
شکل 1 ساختار کلی ریزشبکه مورداستفاده در این مقاله را نشان میدهد که شامل یک سیستم تولید توان خورشیدی - - PV، سیستم توربین بادی وBESS - سیستم باتری ذخیره کننده انرژی - که به کمک مبدلهای DC-DC و AC-DC به شینه 400 ولت DC متصل شدهاند. BESS از طریق یک مبدل دوسویه به باس DC متصل میشود به این دلیل دوسویه که هم تولید میکند و هم مصرف. درواقع در زمانهایی که بار کم میباشد اضافه توان تولیدشده را ذخیره میکند و در هنگامیکه بار زیاد میشود این توان ذخیرهشده را به شبکه تزریق میکند.
سیستم توربین بادی به علت تولید توان AC به کمک یک مبدل AC-DC به شینه DC متصل میشود. منابع تولید پراکندهای که در این قسمت نامبرده شد مطابق مراجع [11-15] شبیهسازی و کنترلشده سپس به شینه DC متصل میگردند. مطابق [14-15] سیستم خورشیدی به کمک الگوریتم P & O برای تعقیب نقطه حداکثر توان کنترل میشود . همچنین مبدل DC-DC سیستم PV به کمک روش کنترل متوالی برای حلقه خارجی کنترل ولتاژ و حلقه داخلی کنترل جریان، کنترل میگردد. منابع تولید پراکنده که سطح ولتاژ DC آنها تنظیمشده است، بعد از اتصال به شینه DC توسط یک VSC سه فاز و یک فیلتر LC به باس AC متصل میشوند. این فیلتر LC برای رفع ریپل تولیدشده ناشی از سوئیچینگ VSC که بر اساس موج PWM صورت گرفته است به کار میرود.
جدول 1 مقادیر بکار رفته برای پارامترهای مختلف ریزشبکه که در شبیهسازی در نرمافزار متلب و بخش SimPower آن مورداستفاده قرارگرفته است را نشان میدهد.
-3 طراحی کنترلکننده منطقی فازی
در این مقاله کنترل ولتاژ و فرکانس با استفاده از کنترلکننده
منطقی فازی - FLC - برای کنترل مبدل منبع ولتاژ - VSC - در حالت Grid-Feeding مدنظر میباشد . کنترلکننده PI مرسوم معمولاً به تغییرات پارامترها حساس میباشد و حاشیه پایداری کمی را فراهم میکند این در حالی است که FLC در برابر تغییرات پارامتر مقاوم میباشد همچنین FLC باعث میشود تا ریاضیات پیچیده مربوط به طراحی سیستم کنترل داخلی VSC را بهطور کامل از بین ببرد . این قسمت شامل سه مرحله اصلی میباشد:
.1 مرحله ورودی مرحله فازی سازی
.2مرحله پردازش یا استنتاج
.3مرحله خروجی مرحله غیر فازی سازی
در این قسمت برای طراحی کنترلکننده فازی ابتدا باید خطا - LE - و تغییرات خطا - CLE - بین مقدار مرجع ورودی و مقدار خروجی واقعی محاسبه گردند. پس از انجام این محاسبات باید کنترلکنندهی فازی بر اساس سه مرحله فوق طراحی گردد.
شکل :1 بلوک دیاگرام ساختار ریزشبکه
جدول :1 مقادیر بهکاررفته برای شبیهسازی
شکل :2 بلوک دیاگرام کلی کنترل VSC
شکل 2 بلوک دیاگرام کلی کنترل VSC بر اساس تئوری کنترل فازی را نشان میدهد. VSC موجود به کمک دو حلقه کنترل میشود. این دو حلقه عبارتاند از:
1. حلقه خارجی کنترل ولتاژ و توان
2. حلقه داخلی کنترل جریان
حلقه کنترل توان بهعنوان بیرونیترین حلقه کنترلی وظیفه تنظیم دامنه و فرکانس ولتاژ خروجی VSC را بر اساس معادلات دروپ را بر عهده دارد. برای حلقههای کنترل جریان و ولتاژ، کنترلکننده منطق فازی پیادهسازی شده است. دو کنترلکننده منطق فازی برای حلقه داخلی کنترل جریان و دو کنترلکننده منطق فازی نیز برای حلقه بیرونی کنترل ولتاژ استفادهشده است. علت آنکه برای ولتاژ و جریان هریک دو کنترلکننده فازی مورداستفاده قرارگرفته است این است که مقادیر ولتاژ و جریان سه فاز به کمک تبدیل پارک به دو مقدار در دو راستای d وq تبدیلشدهاند و سپس برای هریک از آنها یک کنترلکننده در همان راستا طراحیشده است. درنهایت دوباره کلیه این مقادیر به کمک تبدیل معکوس پارک به مقادیر اصلی خود در حالت سه فاز بازمیگردند.
مقادیر مرجع برای ولتاژ از معادله دروپ - - 1 به دست میآیند. همچنین فرکانس نیز بر اساس معادله دروپ - 2 - کنترل میگردد.
در معادلات فوق ∗ و ∗ به ترتیب نقاط تنظیم توان اکتیو و راکتیو میباشند. همچنین P وQ مقادیر واقعی اندازهگیری شده توان اکتیو و راکتیو میباشند.
خطای ولتاژ پریونیت شده - ved - بین دو مقدار و مشتق خطای ولتاژ پریونیت شده - ced - بهعنوان ورودی کنترلکننده ولتاژ در راستای d محاسبه میگردند. خروجی این بخش از کنترلکننده فازی ولتاژ بهعنوان مقدار مرجع جریان در راستای d در نظر گرفته میشود و آن را با ∗ نمایش میدهند. با استفاده از این مقدار مرجع و مقدار اندازهگیری شده جریان - - پس از محاسبه خطای جریان و مشتق آن ورودی موردنیاز برای کنترلکننده جریان فراهم میگردد. هریک از مقادیر ورودی و خروجی برای کنترلکنندههای فازی ولتاژ و جریان با توابع عضویت مثلثی و به کمک متغیرهای زبانی مطابق شکلهای 3 و 4 توصیف میگردند.
شکل :3 توابع عضویت برای ولتاژ با خروجی جریان مرجع در راستای d
