طراحی ریزشبکه هیبرید با کنترل فازی

پروژه طراحی ، مدلسازی و کنترل ریزشبکه هیبرید به روش منطق فازی

ابتدا یک شماتیک امکان پذیر برای ریزشبکه طراحی شده است. در مرحله بعد کنترل سطح اول برای هر کدام از مبدل های بکار گرفته شده در منابع انجام شده است. در مرحله بعد کنترل سطح ثانویه برای منابع کنترل پذیر ارائه شده است(باتری و پیل سوختی) و نهایتا یک کنترل مستر فازی برای ایجاد هماهنگی بین منابع برقرار شده است.

بیان مقدمه و اهداف پروژه (کنترل فازی ریزشبکه هیبرید)

ریزشبکه یا میکروگرید (Microgrid) به مجموعه ای از سیستم های قدرت گفته می شود که می توانند به طور مستقل از شبکه اصلی (main grid) کار کنند. منظور از کار در ریزشبکه پایداری ولتاژ / فرکانس می باشد. در حالت کلی یک ریزشبکه انواع مختلفی دارد که در یک تقسیم بندی می توان آن ها را به : ریزشبکه DC ، ریزشبکه AC و ریزشبکه هیبرید تقسیم بندی نمود. با توجه به اینکه مولدهای موجود در ریزشبکه عموما از نوع انرژی های نو می باشند و از طرفی بارهای شبکه تغذیه AC می باشند، ریزشبکه هیبرید متداول ترین نوع ریزشبکه می باشد.

در یک ریزشبکه هیبرید هر دو لینک AC و DC در میکروگرید قرار می گیرد. در این حالت در لینک DC که معمولا لینک منابع می باشد، انواع منابع انرژی نو نظیر سلول خورشیدی ، توربین بادی و الکترولایزر انرژی فسیلی نظیر پیل سوختی و منابعی همچون ذخیره ساز انرژی قرار می گیرند. در حالی که لینک AC بیشتر مرتبط با بارهای خطی و دینامیکی و یا مولدهای سنکرون و آسنکرون همچون ژنراتورهای سنکرون و آسنکرون می باشد.

در این پروژه هدف اساسی بکارگیری یک ریزشبکه متشکل از منابع تجدیدپذیر انرژی و بارهای محلی و مشترک در حالت پایدار می باشد. به این منظور در این ریزشبکه هیبرید، بارهای تغییرپذیر با زمان قرار داده شده است. همچنین از منطق فازی به منظور کنترل ریزشبکه استفاده شده است.

شماتیک ریزشبکه هیبرید بکار گرفته شده

توضیحات کلی پروژه

دو مسئله مهم در کنترل یک ریزشبکه اساسی می باشد. مسئله اول لزوم کنترل هر یک از منابع می باشد. به این منظور بایستی هر کدام از منابع به درستی مدل سازی شده و از یک مبدل برای اتصال منبع به شبکه استفاده شود. به عنوان مثال در یک توربین بادی که در یک ریزشبکه هیبرید بکار گرفته شده است. نیاز به طراحی یک مبدل مناسب برای تبدیل DC به DC توربین بادی داریم. این مبدل بایستی بتواند سطح ولتاژ توربین بادی را به سطح ولتاژ مناسب کار برساند. این فرآیند توسط مبدل هایی نظیر مبدل بوست، مبدل باک و یا چاپر انجام می شود. از این گذشته در یک توربین بادی نیاز به کنترل زاویه پیچ داریم که این مسئله می تواند توام با کنترل MPPT مبدل به منظور دریافت حداکثر توان از توربین بادی باشد.

در مورد سلول خورشیدی نیز وضعیت به همین شکل می باشد. در یک سلول خورشیدی نیاز است تا از یک مبدل به منظور همسطح نمودن ولتاژ خروجی استفاده کرد. انواع الگوریتم های MPPT همچون الگوریتم افزایشی در MPPT ، الگوریتم های تطبیقی MPPT و یا فازی MPPT به این منظور طراحی شده اند.

سیستم مبدل به همراه توربین بادی

پس از این مرحله که به عنوان کنترل مرحله اول یا سطح پایین ریزشبکه محسوب می شود، نیاز به کنترل بالادست ریزشبکه هیبرید داریم. که به عنوان مسئله دوم در کنترل ریزشبکه به شمار می رود. در این حالت بایستی بتوانیم بر روی منابع کنترل پذیر خود مانور داشته باشیم. هر ریزشبکه ای ملزم به داشتن حداقل یک منبع کنترل پذیر دارد. منظور از منبع کنترل پذیر ، منبعی می باشد که جریان خروجی آن کنترل شده باشد. منابعی همچون توربی بادی و یا سلول خورشیدی چنین قابلیتی ندارند! چرا که هر کدام از این منابع بسته به ورودی سرعت باد و یا تابش در خروجی خود توان مورد نظر را تولید می کنند.

از جمله منابع کنترل پذیر متداول در ریزشبکه می توان به باتری (ذخیره ساز انرژی) ، پیل سوختی و ماشین سنکرون اشاره کرد. تمامی این منابع دارای کنترل کننده می باشند که با سوئیچ زنی پیوسته یا گسسته و یا سیگنال کنترلی نسبت به تعیین توان خروجی مولد متناظر در هر لحظه عمل می کنند.

نکته دیگر لزوم هماهنگی بین کنترل کننده ها در صورت وجود دو یا چندین منبع مولد متناظر می باشد. به این معنی که اگر بالفرض باتری و پیل سوختی با هم در یک ریزشبکه حضور داشته باشند، نیاز به هماهنگی در این دو امری لازم می باشد. به این منظور از یک کنترل کننده بالادست و یا اصطلاحا مستر استفاده می شود.

در این پروژه پایان نامه مهندسی برق قدرت، کنترل سطح اول، کنترل سطح دوم و کنترل کننده بالادست همگی طراحی شده اند. بطوریکه باتری و پیل سوختی بتوانند توسط الگوریتم منطق فازی سطح ولتاژ لینک DC را تثبیت نمایند. همچنین یک کنترل کننده دیگر به منظور تبدیل DC به AC برای اینورتر مورد نظر طراحی شده است. در این پروژه سناریوهای متداول در یک ریزشبکه هیبرید به طور کامل در نظر گرفته شده اند.

این سناریوها شامل :

افزایش بار
خطا بر روی لینک AC و DC
قطع منابع تولید پراکنده (توربین بادی – سلول خورشیدی)

می باشند.

الگوریتم پروژه

همانطور که بیان شد، در این پروژه الگوریتم های کنترلی سطح اول برای مبدل DC به DC هر کدام از منابع انرژی نو توربین بادی و سلول خورشیدی بکار گرفته شده است. همچنین الگوریتم کنترل سطح ثانویه برای باتری و پیل سوختی بکار رفته است که وظیفه آن تنظیم کار کنترلی می باشد. در هر کدام از این سیستم های کنترلی از کنترل کننده های PID استفاده شده است. نهایتا به منظور ایجاد هماهنگی و مدیریت کنترل ریزشبکه هیبرید از منطق فازی بهره گرفته شده است.

به منظور تنظیم قوانین فازی از اجرای شبیه سازی در سناریوهای مختلف و شناسایی سیستم استفاده شده است. در مدل سازی پیل سوختی از الکترولایزر و تانک هیدروژنی به منظور تامین سوخت هیدروژن الکترولایزر بهره گرفته شده است. در این بین الکترولایزر به عنوان یک بار غیرخطی رفتار می کند.

شبیه سازی پروژه

به منظور شبیه سازی پروژه از محیط سیمولینک متلب استفاده شده است. به منظور انجام برنامه نویسی به MPPT از نوع P&O (پی اند اُ) از برنامه نویسی در سیمولینک استفاده شده است. در بیان قوانین فازی از تولباکس متلب استفاده شده است. ورودی های فازی، میزان توان ادوات کنترل پذیر، SOC باتری و خطای ولتاژ لینک DC قرار داده شده است و خروجی های آن کلیدزنی مبدل بوست پیل سوختی و مبدل دوسویه باتری قرار داده شده است.

در ادامه برخی از نتایج شبیه سازی قرار داده شده است.