بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله یک رویکرد عملی قابل پیاده سازی جهت طراحی سی ستم شبکه توزیع برق ک شتی پی شنهاد شده است. استفاده از سی ستم قدرت یکپارچه - IPS - در نیروی دریایی جمهوری اسلامی ایران نیز مورد مطالعه واقع شده است.
در این پژوهش یک شبکه شامل منبع DC پیل سوختی و منبع AC دیزل ژنراتور جهت تأمین توان لازم برای بارهای DC و AC به منظور عدم تبدیلات معکوس DC و AC استفاده شده است، همچنین از ذخیره ساز باتری و ابرخازن به منظور پشتیبانی از شبکه نیز بهره میبریم. جهت تثبیت ولتاژ و فرکانس و بهبود کیفیت توان از طرحهای کنترلی استفاده میکنیم که در برابر خطای سه فاز، تغییرات بار موتور در شین AC و تغییرات توان پیل سوختی مورد بررسی قرار می-گیرند.
شبکه مورد مطالعه در نرم افزار MATLAB/Simulink پیاده سازی شده که سرعت و دقت و توانمندی سیستم در پایدارسازی و بازیابی ولتاژ و فرکانس و بهبود THD ریزشبکه پیشنهادی در اثر این اغتشاشات را نشان میدهد.
مقدمه
میدانیم در برر سی سی ستمهای توزیع یکپارچه شبکه برق ک شتی با چالشهای متعددی روبرو ه ستیم. یکی از مهمترین شاخ صهها در طراحی کشتیها، افزایش برد آن است. از دید الکتریکی، جهت افزایش برد کشتی بایستی بتوان تا حد امکان انرژی مصرفی ناو یا کشتی را محدودتر نمود.
سیستم پیشرانه کشتی با محدودیت منابع انرژی به دلیل فضای کم در دسترس برای مولدها، ترانسها و دیگر اجزای شبکه، روبرو است
در این صورت علاوه بر مصرف کمتر انرژی، امکان پیشروی کشتی افزایش مییابد؛ بنابراین استفاده از سیستمی با راندمان بالا در کشتیها ضروری است. از طرفی دیگر، حفظ امنیت کشتی مستلزم کاهش نویزهای صوتی و الکترومغناطیسی سیستم پیشرانه کشتی است تا مشکلاتی نظیر احتمال شناسایی کشتی کاهش یابد. در کاربردهای استراتژیک مثل ناوها، قابلیت اطمینان نیز از شاخصههای مهم میباشد. استفاده از پیشرانه با قابلیت اطمینان بالا و نویز کم میتواند ضرورتهای خواستهشده را پوشش دهد.
سیستم برق یکپارچه کشتی یک ریزشبکه است. به شبکهای که شامل مولد یا تولید، انتقال و مصرف در یک مجموعه کوچک و ایزوله از سیستم سرتاسری برق است، ریزشبکه میگوییم. البته ریزشبکه تعاریف گوناگونی دارد که از آنها صرفنظر میکنیم اما شبکه توزیع برق کشتی را بهعنوان یک ریز شبکه تحلیل و برر سی میکنیم. بهطورکلی، میکرو شبکهها مجموعهای از بارها و واحدهای تولیدی کوچکمعمولاً - در حدود چند kW تا چند - MW است که بهصورت یک سی ستم قابل کنترل مورد بهرهبرداری قرارگرفته و هم توان و هم گرما - در صورت لزوم - را برای ناحیه موردنظر فراهم میآورند
بهعنوان مثال یک ریزشبکه میتواند شبکه برق موجود در یک مرکز خرید، مرکز تفریحی یا دانشگاه باشد. چنین سی ستمهایی میتوانند به شبکه قدرت اصلی متصل شده - مد موازی - و یا بهطور مستقل - مد جزیرهای - مورد بهرهبرداری قرار بگیرند که در هر دو مد بهرهبرداری بایستی تغذیه پیوستهای را بارهای مصرفکننده فراهم آورند. واضح است که ریزشبکه توزیع برق در کشتی به دلیل عدم اتصال به شبکه سرا سری یک ریز شبکه م ستقل بهح ساب میآید که وظیفه تأمین توان در ولتاژ و فرکانس موردنظر باکیفیت مطلوب را به عهده دارد.
در ریزشبکههای AC، توان DC برخی منابع مانند باتریها بایستی پیش از تزریق به ریزشبکه به کمک مبدلهای DC/DC و اینورترهای DC/AC به حالت AC تبدیل شود. بهعلاوه، اتصال بارهای DC، مانند لامپهای LED و یا سیستمهای مخابراتی کشتی به شبکههای AC نیز رو به افزایش بوده که نیازمند یکسوسازهای AC/DC و مبدلهای DC/DC بهمنظور تغذیه ولتاژهای DC مختلف هستند
از طرفی ریزشبکههای DC به دلیل توسعه و کاربرد روزافزون منابع DC و همچنین افزایش بارهای DC مورد استفاده و مطالعه قرارگرفتهاند. بههرحال در شبکههای DC، توان تولیدی منابع AC بایستی پیش از تزریق به شبکه، توسط یکسوسازها به DC تبدیل شده و اینورترهای DC/AC نیز برای بارهای AC موجود، مورد نیاز هستند.
تبدیلات معکوس متعدد در میکرو شبکههای AC یا DC تلفات را افزایش داده و تجهیزات بارهای م صرفی را نیز پیچیدهتر خواهند نمود. ازاینرو، در این مقاله، ساختار جدیدی از یک میکروشبکه DC/AC - ترکیبی از شینهای AC و - DC بهمنظور کاهش تبدیلات معکوس و تسهیل نمودن اتصال منابع انرژی و بارهای AC و DC به میکروشبکه، پیشنهاد شده است.
در این میکرو شبکه، یک واحد پیل سوختی از نوع PEFC1 بعنوان نمونهای از منابع DC و یک دیزل ژنراتور بعنوان نمونهای از منابع AC در نظر گرفته شده ا ست. از طرف دیگر، ذخیره ساز باتری دارای سرعت شارژ و تخلیهین سبتاً آه ستهای بوده اما ذخیره ساز ابرخازن دارای پا سخ ب سیار سریعتری است. از اینرو در این مقاله، از ذخیره سازهای باتری و ابرخازن بترتیب برای جبرانسازی نوسانات فرکانس بالا و فرکانس پایین ولتار شین DC استفاده شده و یک طرح کنترلی جدید برای ذخیره سازهای ترکیبی باتری و ابرخازن توسط مؤلفان پیشنهاد شده است.
ساختار مقاله بدین صورت میبا شد: نخ ست مقدمهای درباره میکرو شبکههای AC و DC، علت انتخاب میکرو شبکه ی AC/DC جهت مطالعه و نوآوریهای مقاله مورد بحث قرار گرفته است. در بخش بعدی، آرایش میکروشبکهی پیشنهادی و مدلسازی تجهیزات آن نشان داده میشود. سپس طراحی کنترل کنندهی مبدلها بمنظور بهبود در کنترل ولتار و فرکانس و کیفیت توان میکروشبکه مطالعه خواهد شد. در ادامه، نتایج شبیه سازی مورد بررسی قرار خواهند گرفت که توانمندی کنترل کنندهها را در پایدارسازی میکروشبکه نشان میدهند. در بخش آخر نیز یک نتیجه گیری کلی از مقاله ارائه شده است.
بدنه اصلی مقالات
آرایش ریزشبکه
آرایش ریزشبکه پیشنهادی در شکل 1 نشان داده شده و در MATLAB/Simulink مدلسازی شده است. در ریزشبکهی پیشنهادی، یک واحد Fuel Cell با مقدار نامی 40kW به عنوان مثالی از منابع DC، از طریق یک مبدل افزاینده ولتاژ - DC/DC Boost Converter - DC/DC به شین DC - شینی که بار DC در آن قرار دارد - اتصال یافته است. بمنظور حذف نوسانات فرکانس بالای ولتاژ خروجی Fuel Cell از یک خازن CFC استفاده شده است. همچنین یک دیزل ژنراتور با اندازه توان نامی 45kW به عنوان مثلی از منابع AC به شین - AC شینی که بار AC در آنجا قرار دارد - اتصال یافته است.
یک باتری 200V و 65Ah، بعنوان ذخیره ساز انرژی بلندمدت و بمنظور تبادل انرژی در حالت ماندگار و یک ذخیره ساز ابرخازن 200V و 5F، بعنوان یک ذخیره ساز انرژی که دارای پا سخ فوقالعاده سریعتری ن سبت به ذخیره ساز باتری به تغییرات ولتاژ شین DC ا ست، در نظر گرفته شده اند که هرکدام از طریق یک مبدل دوجهتهی - DC/DC Buck-Boost Converter - DC/DC به شین DC اتصال یافتهاند.
همچنین بارهای DC و AC بترتیب به شینهای DC و AC متصل شدهاند. بار DC تنها یک بار اهمی بوده که مستقماًی به شین DC متصل شده است؛ اما بار AC متشکل از بارهای اهمی، سلفی - اندوکتیو - ثابت - 10kVAR - و خازنی - کاپاسیتیو - ثابت - 1kVAR - و یک بار موتوری - 5kW - میباشد. ولتاژ نامی برای هر دو شین AC و DC برابر 400V در نظر گرفته شده است. همچنین یک اینورتر سه فاز به همراه یک فیلتر R-L-C و یک ترانسفورماتور ایزوله - بمنظور کاهش حجم فیلتر - R-L-C شین DC را به شین AC متصل مینماید.
شکل :1 آرایش ریزشبکه AC/DC پیشنهادی
مدلسازی واحد پیل سوختی پیل سوختی سی ستم تولید توان الکتریکی ا ست که با ورودی هیدروژن و اک سیژن تولید برق و حرارت میکند. هر پیل سوختی دارای دو الکترود - آند و کاتد - و یک الکترولیت مابین این دو الکترود و غشا به منظور جدا کردن دو بخش پیل میباشد.
در قطب آند، هیدروژن بر روی یک کاتالیزور واکنش داده و تولید یک یون با بار مثبت و الکترون با بار منفی میکند. پروتون بوجود آمده از محیط الکترولیت و الکترون از مدار گذر میکنند که حرکت الکترون از مدار باعث تولید جریان میگردد. در قطب کاتد اکسیژن با یون و الکترون واکنش نشان میدهد و تولید آب و حرارت مینماید
ولتاژ خروجی پیل سوختی پلیمری از رابطه - 1 - و مقادیر پارمتری آن در فشار و دمای استاندارد از روابط - 5 - - - 2 - بدست میآیند
در رابطه ENESRT پارمترهای G انرژی آزاد گیبس، S تغییرات آنتروپی، F ثابت فارادی، R ثابت عمومی گازها، T دمای پیل سوختی، Tref دمای مرجع و PH2 و PO2 فشار نسبی هیدروژن و اکسیژن میباشند که در فشار و دمای استاندارد به صورت زیر در میآید:
همچنین دیگر مقادیر استاندارد بکار رفته برای پیل سوختی در جدول 1 ذکر شده است
شکل :2 مدار معادل واحد Fuel Cell
جدول :1 مشخصات پیل سوختی
مدلسازی ذخیرهساز باتری در این مقاله، ذخیرهساز باتری توسط یک منبع ولتاژ - کنترل شده - و بصورت سری با یک مقاومت اهمی ثابت مدلسازی شد که در شکل 3 نشان داده شده است. در این مطالعه از ذخیره ساز باتر ی نوع نیکل-متال-هیدرید - NiMH - استفاده شده است.
رابطهی اندازهی منبع ولتار کنترل شده در مدهای شارژ - f1 - و تخلیه - f2 - بصورت روابط - 4 - و - 5 - تعریف شده و رابطهی ولتار خروجی باتری توسط رابطهی - 6 - بیان میشود
که در آن، Vbatt ولتاژ خروجی باتری ناحیهی نمایی، . ثابت پلاریزاسیون - V - ، Ebatt ولتاژ غیرخطی باتری - V - ، E0 ولتاژ ثابت باتری - Ah-1 - جریان لحظهای فرکانس پایین - A - ، L جریان باتری - V - ، R مقاومت داخلی باتری - - دینامیک - A - ، it ظرفیت استخراجی باتری - Ah -
