بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله مسأله کنترل ولتاژ و فرکانس در یک ریزشبکه با روشهایی که اساساً مبتنی بر کنترل مبدلهای الکترونیک قدرت است بررسی میشود. برای بررسی کنترل ولتاژ و فرکانس اساساً از روشهای مبتنی بر کنترل افت استفاده شده است. روشهای مختلف کنترل ریزشبکه برای بهبود کنترل ولتاژ و فرکانس ارائه میشوند و در ادامه عملکرد ریزشبکه با توجه به مبدلهای شکلدهنده شبکه و پشتیانی کننده شبکه در مود متصل به شبکه و مود جزیرهای مورد بررسی قرار میگیرد.
بهمنظور به دست آوردن نتایج دقیقتر، واحدهای تولید انرژی قابل کنترل نظیر پیل سوختی و سیستم ذخیره کننده انرژی بهصورت دینامیکی در نرمافزار پیادهسازی شده و سپس در ریزشبکه قرار میگیرند. درنهایت مدل ریزشبکه و کنترلکنندههای آن در نرمافزار DigSILENT پیادهسازی شده و نتایج حاصل از اثربخشی روشهای کنترلی مربوطه ارائه می شود.به طوریکه در روش بکار گرفته شده نیازی به زیر ساخت های مخابراتی نمیباشد که حذف این آیتم باعث کاهش شدید هزینه ها میشود.
-1 مقدمه
یکی از مهمترین مشکلاتی که سیستمهای قدرت ازجمله ریزشبکهها با آن روبرو هستند، ناپایداری ولتاژ و فرکانس است که یکی از عمومیترین دلایل ناپایداری ولتاژ کمبود توان راکتیو شبکه یا جذب بالای توان راکتیو توسط خود سیستم است و عامل ایجاد ناپایداری فرکانس، کمبود توان اکتیو یا وجود بارهای القایی زیاددر سیستم است. معمولاً در ریزشبکهها به دلیل مرسوم نبودن کاربرد ژنراتورهای سنکرون که در سیستمهای قدرت بزرگ وظیفه کنترل ولتاژ و فرکانس را بر عهده دارند به دلیل نامناسب بودن مشخصههای تولید انرژیشان برای اتصال مستقیم در ریزشبکه ها ,جهت نصب این واحدهای تولیدی در ریزشبکه به واسطهای الکترونیک قدرت نیاز داریم.
یکی دیگر از مهمترین مشکلاتی که سیستمهای قدرت از جمله ریز شبکه ها,میتوان مورد بحث قرار داد،فرو پاشی ولتاژ و ناپایداری ولتاژ و فرکانس هاست .طبق تعریف IEEEپایداری ولتاژ و فرکانس عبارتست از توانایی یک سیستم قدرت در نگهداری ولتاژ و فرکانس دائمی سیستم در شرایط عادی و پس از بروز اغتشاش است. این را میتوان از کاهش مداوم ولتاژ سیستم مشاهده کرد که در مرحله اول کاهش ولتاژ بهصورت تدریجی بوده و سپس با عبور از یک حد سریعاً کاهش مییابد و برای جبران کاهش توان راکتیو میتوان از بانکهای خازنی مانند کنترلرهای FACTS برای جبران و کنترل توان راکتیو و اکتیو جهت کنترل ولتاژ و فرکانس استفاده کرد.
از دیگر موضوعاتی که در سیستمهای قدرت مورد بررسی قرار میگیرد DGها هستند.عدم توانایی کنترل DGها - کنترل باد و خورشید - اجازه بهرهبرداری کارآمد از ظرفیت آنها را نمیدهد و این باعث نیازمندی به نیروگاههای که در نقطه کار پایینی بهعنوان ذخیره کمکی کار می کنند میشود. کنترلپذیری واحدهای DG نقش زیادی در پایداری سیستم ایفا میکند که معمولاً چندین نوع DG مبتنی بهVSI با مشخصههای افت محلی معین هر DG در ریزشبکه وجود دارد.
تغییر بار در ریزشبکه میتواند به نامتعادلی بین عرضه و تقاضا منجر شود و این امر ولتاژ و فرکانس خروجی VSIها را بر اساس مشخصههای افت تغییر میدهد.در یک ریزشبکه هیچ ژنراتور سنکرونی برای ارائه مراجع ولتاژ و فرکانس وجود ندارد. بنابراین اینورترهای موجود در ریزشبکه وظیفه حفظ پایداری ولتاژ و فرکانس را در حالتی که خطایی اتفاق رخ میدهد را بر عهده دارند.
در [3] روشهای کنترل مبدلهای الکترونیک قدرت که اساساً مبتنی بر کنترل افت مرسوم هستند ارائه شدهاند. در این مراجع با در نظر گرفتن افت ولتاژ و فرکانس، کنترلکنندههای افت مناسب بر روی مبدلهای الکترونیک قدرت که در این پایاننامه نقش اینورتر را دارند پیادهسازی میشوند. در [4] روشی برای از بین بردن زوجیت توانهای اکتیو و راکتیو زمانی که از روش کنترل افت مرسوم در شبکههای مقاومتی استفاده میشود ارائه شده است و همچنین این نشان داده میشود که در این شبکهها، استفاده از روش کنترل افت مرسوم منجر به نگرانیهایی در زمینه پایداری سیستم میشود.
-2 کنترل ولتاژ و فرکانس در ریز شبکه ها
در این مقاله برای کنترل مبدلهای الکترونیک قدرت از یک روش کنترل ترکیبی شامل کنترل ولتاژ گرا و کنترل افت استفاده شده است و سپس مبدلهای الکترونیک قدرت مربوط به واحدهای تولیدی مختلف برای کنترل ریزشبکه در شرایط اضطراری در یک طرح کنترل هماهنگ قرار میگیرند.در کارهای انجام شده عموماً برای کنترل توانهای اکتیو و راکتیو مبدل الکترونیک قدرت در یک ساختار هماهنگ از زیرساختهای مخابراتی استفاده شده که نقطه کار توان تولیدی واحدهای فرمانبر توسط سیگنالهای مخابراتی تعیین میشوند. اما در این مقاله برای تعیین نقطه کار واحدهای تولیدی بهصورت خودکار، از روش کنترل افت استفاده شده که باعث حذف زیرساختهای مخابراتی و سادگی سیستم و همچنین کاهش هزینهها میشود ودر پایان نتایج حاصل از پیادهسازی روشهای کنترلی استفاده شده بر روی مبدلهای الکترونیک قدرت با سناریوهای مختلف مورد نقد و بررسی قرار میگیرند.
-1-2 کنترل افت در ریزشبکهها
پایه و اساس استراتژی های کنترلی که فاقد زیرساخت مخابراتی هستند کنترل افت میباشند که برگرفته از ویژگی خودتنظیمی سنکرون در مود متصل به شبکه است. همچنین گسترش این سیستمها به دلیل قابلیت pluge and playمبدلها آسانتر است. ایده اصلی کنترل افت از قابلیت خودتنظیمی ژنراتور سنکرون در مود متصل به شبکه گرفته شده است. به این صورت که وقتی فرکانس افزایش پیدا میکند توان اکتیو را کاهش و هنگامیکه دامنه ولتاژ افزایش مییابد توان راکتیو تزریقی را کاهش دهد
در مطالعات انجام شده، ریزشبکههای ACمعمولاً بهصورت سیستمهای القایی یا مقاومتی درنظرگرفته شدهاند. در ریزشبکههای القایی به خاطر وجود پیوند قوی بین توان راکتیو و ولتاژ، استراتژیهای مبتنی بر کنترل افت توان راکتیو/ ولتاژ برای کنترل ولتاژ استفاده میشوند درحالیکه در ریزشبکه های مقاومتی از تکنیک کنترل افت توان اکتیو / ولتاژ برای کنترل ولتاژ استفاده میشود. ازآنجاییکه نوسانات فرکانس اساساً ناشی از نوسان در توان اکتیو است، روشهای کنترل افت توان اکتیو/ فرکانس برای کنترل فرکانس به کار میروند. همچنین با توجه به پیوند قوی بین توان راکتیو و فرکانس، استراتژیهای افت برای طراحی کنترل فرکانس ریزشبکهها نیاز است.
-2-2کنترل Master/Slave
در روش دیگری به نام کنترل Master/Slave به عنوان یک روش بدون زیرساخت مخابراتی که در این مقاله ارائه شده تابعی از روش کنترل افت است.DG های مبتنی بر اینورتر در حالتی که ریزشبکه به شبکه متصل است در مود PQ عمل میکنند. یعنی اینورتر باید با شبکه توان اکتیو وراکتیو تبادل کند که لازمه این امر سنکرون شدن ولتاژ ترمینال اینورتر با ولتاژ شبکه در دامنه و فاز است. اما در یک ریزشبکه مستقل ازآنجاییکه شبکهای برای تبادل توان با ریزشبکه وجود ندارد، بنابراین استفاده از طرح کنترلی PQ برای تمام اینورترها بیفایده است.
در چنین حالتی یکی از اینورترها باید در مود VSIبهعنوان منبع تغذیه اصلی عمل کند. در استراتژی کنترل Master/Slave زمانی که منبع تغذیه اصلی یا شبکه MV از دست رفته باشد، یکی از واحدها بهعنوان فرمان دهنده - منبع تغذیه اصلی - و سایر واحدها VSI - ها - در مود PQ کار میکنند..در موقعیت کنترل، هر دو کنترلکنندههای ولتاژ و جریان استفاده میشوند. در روش کنترل مرکزی، کل بار با استفاده ضرایب وزنی بین مبدلها تقسیم میشود و ازآنجاییکه جریان خروجی واحد Master کنترل شده نیست، فراجهش جریان خروجی بالایی که علت آن این است که واحد Master فاقد کنترلکننده جریان در حالت گذرا است میتواند رخ دهدکه این خود میتوان از عیوب این روش کنترل باشد
3 -مدل سازی و پیاده سازی ریز شبکه کنترل شده با افت در نرم افزار :DIgSILENT
در بخش مدلسازی یک ریزشبکه نمونه ارائه شده و روشهای کنترلی مربوطه بر روی آن در نرمافزار DIgSILENT پیادهسازی میشوند. ریزشبکه مورد مطالعه شامل چهار منبع تولیدی پیل سوختی - SOFC - ، توربین بادی سرعت ثابت، میکروتوربین و سیستم ذخیرهساز انرژی است.به دلیل اینکه پاسخ گذاری واحدهای میکروتوربین و پیل سوختی کند میباشد، در این ریزشبکه برای ایجاد تعادل بین عرضه و تقاضا در حالت گذرا از یک سیستم ذخیرهساز انرژی که توسط یک باتری مدل میشود,استفاده میشود.
کنترل توان مبدل الکترونیک قدرت براساس تئوری توان لحظهای و بهعنوان نتیجهای از تعریف توان در قابهای مرجع - ساکن و چرخان - است. ولتاژها و جریانهای لحظهای سه فاز بصورت زیر بیان میشوند.
روش کنترلی گفته شده در این بخش روش کنترل ولتاژ گرا یا روش کنترل در راستای ولتاژ میباشد. این روش کنترل اساساً مبتنی بر استفاده از قاب مرجع چرخان dq در سرعت و هم راستا شدن محور d با بردار ولتاژ شبکه است. این موقعیت کنترل را اصطلاحاً روش کنترل PQ مینامند . این روش کنترل معمولاً در زمانی که ریزشبکه به یک شبکه ولتاژ پایین متصل است و مراجع ولتاژ و فرکانس از طرف شبکه ولتاژ پایین ارائه میشوند مورد استفاده قرار میگیرند. تعریف بردار مکانی برای مؤلفههای ولتاژ و جریان بهصورت زیر است
شکل -1 بردار مکانی ولتاژ در محورهای مختصات ساکن و گردان
حال با استفاده از رابطه - 2-3 - مؤلفههای dq ولتاژ محاسبه میشوند:
با فرض اینکه محور d بهطور کامل منطبق بر بردار مکان ولتاژ است، بنابراین Vq=0 و توانهای اکتیو و راکتیو مبدل بهصورت زیر نماش داده میشوند.
زاویه در نرمافزار DIgSILENT باید از یک PLL در ترمینال AC مبدل استفاده شود. ، ابتدا مؤلفههای αβولتاژ با استفاده از تبدیل کلارک محاسبه می شودو در مرحله بعد با فرض مشخص بودن زاویه ، مؤلفههای dq ولتاژ تعیین میشوند.
-1-3 ساختار ریزشبکه مورد مطالعه:
ساختار ریزشبکه مورد مطالعه در شکل 2 نشان داده شده است. این ریزشبکه شامل 4 منبع تولید توان توربین بادی، میکروتوربین، پیل سوختی و سیستم ذخیرهساز انرژی، بارها و کنترل کنندههای ریزمنابع میباشد. همه ریزمنابع قابل کنترل مانند میکروتوربین، پیل سوختی به دو کنترلکننده افت و کنترل کننده PQ مجهز هستند و سیستم ذخیره کننده انرژی علاوه بر این دو کنترلکننده دارای یک کنترلکننده VF نیز میباشد زمانیکه ریزشبکه در مود متصل به شبکه مورد بهرهبرداری قرار میگیرد، کنترلکننده PQ ریزمنابع فعال شده و ولتاژ و فرکانس مرجع توسط شبکه ولتاژ متوسط ارائه میشود.
زمانیکه جزیره شدن برنامهریزی شده یا جزیره شدن بر اثر خطا در شبکه ولتاژ متوسط رخ میدهد، یکی از ریزمنابع که دارای سرعت پاسخ بالایی است برای جلوگیری از ناپایدار شدن ریزشبکه جزیره شده باید سریعاً ولتاژ و فرکانس مرجع را به دیگر ریزمنابع ارائه دهددر. این ریزشبکه واحدی که اصطلاحاً بهعنوان واحد Masterمورد استفاده قرار میگیرد، سیستم ذخیره کننده انرژی است.
شکل-2 ساختار ریزشبکه مورد مطالعه
