کنترل ریزشبکه-روش دروپ-بهبود غیرخطی

بیان مقدمه و اهداف پروژه (طراحی روش اولیه-ثانویه بهبود یافته با روش غیرخطی برای کنترل ریزشبکه)

مبحث ریزشبکه به عنوان یکی از جدیدترین چالش ها در زمینه های مهندسی قدرت و کنترل می باشد. در کنترل ریزشبکه هدف اساسی کنترل ولتاژ / فرکانس با استفاده از توان راکتیو / اکتیو می باشد. به این معنی که با استفاده از ورودی های توان اکتیو و راکتیو به ترتیب فرکانس و ولتاژ در ریزشبکه کنترل می شوند. اساس کار همین است. البته در جزئیات کار تفاوت های زیادی بین روش های کنترل وجود دارد.

در کنترل ریزشبکه ، سطوح کنترلی مختلف بکار برده می شود که هر کدام هدف خود را دارند. این روش های کنترل به صورت زیر می باشند :

کنترل اولیه ریزشبکه : در کنترل اولیه ریزشبکه ، پایداری اولیه ریزشبکه در نظر گرفته می شود. این پایداری مبتنی بر زاویه فرکانسی و فرکانس ریزشبکه می باشد.
کنترل ثانویه ریزشبکه : کنترل اولیه همواره با خطا همراه است. بخصوص وقتی که بار تغییر کند یا منبعی خارج شود و از همه جزیره سازی (قطع از شبکه بالادست) رخ دهد. در این حالت کنترل ثانویه به کار می آید. (در واقع کنترل ثانویه جزء نیازهای اساسی در کنترل ریزشبکه می باشد)
کنترل ثالثیه : در کنترل ثالثیه که مخصوص ریزشبکه های با توزیع گسترده می باشد، یک بخش با عنوان کنترل کننده مستر (Master Controller) به کار می آید. وظیفه این کنترل کننده ایجاد هماهنگی بین بخش های مختلف کنترلی ریزشبکه می باشد.
کنترل کننده های به منظور بهبود کار : سایر کنترل کننده ها همواره سوار بر این بخش ها در نظر گرفته می شوند. وظیفه این کنترل کننده ها بهبود وضعیت در هر یک از بخش های کنترل اولیه ریزشبکه، کنترل ثانویه ریزشبکه و یا کنترل ثالثیه ریزشبکه می باشد.

در شکل زیر شمای کلی از یک ریزشبکه نمایش داده شده است.

شمای کلی یک ریزشبکه و سطوح کنترلی

هدف اساسی در این پایان نامه برق قدرت ، بهبود کار در کنترل ثانویه ریزشبکه با استفاده از مدل سازی غیرخطی مبدل منبع ولتاژ بکار رفته بر روی منابع DG می باشد. در این پایان نامه فرض بر عدم در نظر گیری دینامیک داخلی منابع DG می باشد. به این ترتیب فرض می شود منابع DG نظیر سلول خورشیدی و توربین بادی که به صورت منبع جریان مدل می شوند در نقطه MPPT (ردیابی نقطه حداکثر توان) خود کار می کنند. در مرحله دوم از کار با طراحی یک کنترل کننده به روش بازگشت به عقب (bakstepping) سعی در بهبود وضعیت کنترلی سیستم نسبت به حالت عدم وجود این کنترل کمکی داشته باشیم.

توضیحات کلی

در اکثر مباحث ریزشبکه، منابع تولید به صورت ترکیب مولد(نظیر سلول خورشیدی، توربین بادی و یا باتری) با اینورتر در نظر گرفته می شوند. در این نحوه مدلسازی دینامیک داخلی مولد DG نادیده گرفته می شود. مبدل منبع ولتاژ (VSC – Voltage Source Converter) یکی از روش های مدل سازی منابع DG به همراه اینورتر در ریزشبکه ها می باشد. روش های کنترل ریزشبکه شامل کنترل های اولیه تا ثانویه به راحتی قابل پیاده سازی بر روی این منابع می باشد. در این منابع ، پیش فرض قدرتی کار مبنی بر در نظر گیری یک منبع DC توان نامحدود می باشد. کنترل برداری این کار شامل تعیین زاویه فرکانسی، فرکانس و دامنه ولتاژ برای تولید بردار ولتاژ می باشد. به منظور تولید این بردار از ورودی های توان اکتیو و راکتیو استفاده می شود. اما جنبه دیگر کار مدل سازی کار غیرخطی VSC و طراحی یک بخش کنترل غیرخطی برای این مبدل می باشد. شماتیک کار کنترلی این سیستم در حضور بخش غیرخطی آن بصورت زیر می باشد.

شماتیک بلوک کنترل ریزشبکه (کنترل VSC)

طبق شماتیک بالا ، مشخص است که در کنترل ریزشبکه از حلقه های تو در توی کنترلی استفاده شده است. این مسئله در کنترل اولیه ریزشبکه به منظور تولید بخش فرکانس و زاویه فرکانسی ریزشبکه به کار گرفته شده است. در شکل زیر فرآیند این حلقه نمایش داده شده است.

حلقه تو در توی کنترل فرکانس/ زاویه فرکانسی مولد منبع ولتاژ – کنترل اولیه

در این کنترل مقادیر دروپ به صورت بهره در مسیرهای کنترل زاویه فرکانسی و فرکانس قرار داده شده اند و از ورودی توان اکتیو به منظور کنترل استفاده شده است. خروجی این کار فرکانس و زاویه را به ما خواهد داد. با در نظر گرفتن مقدار رفرنس برای فرکانس (60 هرتز و یا 50 هرتز) و البته زاویه فرکانسی که با در نظر گرفتن زاویه اولیه و تغییر فرکانس با زمان به سیستم داده می شود. به این ترتیب مقادیر خطا بدست آمده و بلوک های کنترلی کار تکمیل خواهد شد.

بخش دوم کار شامل کنترل ولتاژ با استفاده دروپ می باشد. این بخش کار به عنوان کنترل ثانویه ریزشبکه شناخته می شود. در این مرحله از کنترل ریزشبکه با استفاده از توان راکتیو نسبت به تولید اندازه ولتاژ اقدام می شود.

در نظر گرفته می شود که تولید توان اکتیو و راکتیو در بلوک کنترلی متناسب با میزان بار در ریزشبکه می باشد. به این ترتیب تغییرات بار می تواند بر روی این تولیدات تاثیر مستقیم داشته باشد تا تعادل توان در ریزشبکه محقق شده و پایداری ولتاژ / فرکانس را در ریزشبکه داشته باشیم.

آنچه به عنوان ارزیابی نهایی از کار عنوان می شود. مشخصه های زمانی پاسخ های سیستم در کنترل ریزشبکه می باشد. متغیرهای اساسی کنترل ریزشبکه شامل ولتاژ و فرکانس ریزشبکه می باشد. این دو متغیر بایستی بتوانند در سناریوهایی نظیر :

جزیره سازی ریزشبکه : قطع شدن از شبکه بالادست. این سناریو به عنوان مهمترین سناریو در ارزیابی پایداری ریزشبکه شناخته می شود. در این سناریو هدف ارزیابی عملکرد ریزشبکه در حالت بدون وجود توان از شبکه بالادست (که معمولا یک شین بی نهایت می باشد)، است.
وقوع خطا(فالت) در ریزشبکه : یک ریزشبکه مستعد وقوع خطاست. خطا می تواند انواع آن شامل خطای تکفاز، دوفاز ، سه فاز متقارن و یا غیرمتقارن باشد. این خطا به صورت اتصال کوتاه با زمین (با یک مقاومت بسیار کوچک) مدل می شود. در این حالت شارش جریان بالا از ریزشبکه به سمت زمین رخ می دهد.
تغییرات بار : تغییرات بار شامل کم و زیاد شدن بارهای ریزشبکه می باشد. در این حالت آفست توان بایستی توسط منابع جبران شده و در کنترل ریزشبکه به وسیله کنترل ثانویه این جبران سازی انجام می شود.
قطع منابع : منابع ریزشبکه از منابع انرژی نو به همراه منابعی نظیر ماشین آسنکرون و … می باشد. اکثر این منابع به عنوان منابعی احتمالی با تولید پراکنده شناخته می شوند که در مواقعی ممکن است توان خروجی آن ها کم و حتی به صفر برسد. در این حالت نیاز است تا پایداری ریزشبکه حفظ شود.

به خوبی کنترل شوند.

بیان الگوریتم کار

همانطور که بیان شد طراحی سطوح کنترلی به عنوان اولین گام در کنترل ریزشبکه در این پروژه مورد توجه قرار گرفته است. در بخش دوم از کار طراحی کنترل غیرخطی برای ریزشبکه در نظر گرفته شده است. در این طراحی از روش گام به عقب استفاده شده است. این روش از جمله متدهای مقاوم شناخته می شود(مقاومت به جهت پایداری در حضور اغتشاش و عدم قطعیت).

در کنترل کار از مدل سازی ماشین سنکرون با توان خروجی محدود شده استفاده شده است. تا بتوان سناریو سازی های مرتبط با کار را انجام داد. به منظور ارزیابی کار از تست این کار بر روی مدل های ریزشبکه استاندارد استفاده کرده ایم. مدل استاندارد اولین ریزشبکه بصورت شکل زیر می باشد.

مدل ریزشبکه استاندارد اول

در نهایت به منظور ارزیابی دقیق تر و بیان نتایج کار در یک ریزشبکه گسترده شده از مدل استاندارد دوم استفاده شده است که شماتیک قدرتی آن به صورت شکل زیر می باشد.

مدل ریزشبکه استاندارد دوم

در این چهاچوب به منظور کنترل منابع تولید جریان نظیر سلول خورشیدی و توربین بادی از مولدهای منبع جریان و برای منابع تولید ولتاژ نظیر باتری از مبدل منبع ولتاژ استفاده شده است. در این باره در نمونه کارهای بعدی توضیحات کافی ارائه خواهد شد. در ادامه نتایج شبیه سازی کار نمایش داده شده است.

شبیه سازی پروژه

به منظور انجام شبیه سازی کار از نرم افزار متلب و تکنیک به کارگیری همزمان کدنویسی در متلب استفاده شده است. شماتیک قدرتی کار در محیط سیمولینک مدلسازی شده است. در این مدلسازی منابع کنترلی به طور استاندارد جایگذاری شده اند.

به منظور ارسال بخش های کنترلی، از لوپ های کنترلی فیدبک دار استفاده شده است. تا شماتیک های کنترلی معادل شکل های اول و دوم پیاده سازی شود. به منظور پیاده سازی بخش غیرخطی از کدنویسی در بلوک های Matlab function استفاده شده است.

برخی از نتایج شبیه سازی در ادامه کار آورده شده است. نتایج برای ریزشبکه استاندارد اول می باشد.