انجام پروژه های حرفه ای مهندسی برق

بیان مقدمه و اهداف پروژه (طراحی کنترل مقاوم برای یک ریزشبکه در حضور توربین بادی)

ریزشبکه ها به عنوان نواحی از سیستم قدرت که قادر به کار در شرایط مستقل می باشند، گفته می شود. منظور از مستقل (standalone) توانایی ارضاء بارهای شبکه و همچنین ایجاد پایداری ولتاژ-فرکانس در ریزشبکه در شرایط قطع یا اصطلاحا جزیره ای شده (Islanded) از شبکه قدرت اصلی (Grid) می باشد. کنترل مقاوم به عنوان یک سیستم کنترل به منظور مقابله با نامعینی ها شناخته می شود.

 همانطور که بیان شد اصل اساسی در ریزشبکه و بطور کل یک شبکه قدرت بر پایه پایداری ولتاژ و فرکانس می باشد. ولتاژ و فرکانس بعنوان دو متغیر اساسی در سیستم های قدرت مورد بررسی قرار می گیرند. مشخصه های حالت زمانی این دو متغیر اساسی به عنوان متغیرهای کیفیت توان در سیستم قدرت تاثیرگذارند. سیگنال کنترل در یک ریزشبکه براساس توان اکتیو و راکتیو وارد شده بر شبکه سنجیده می شود.

در واقع اصل کار یک مهندس کنترل تعیین مناسب توان اکیتو و راکتیو مرجع و نهایتا تولید آن ها در منابع مناسب شبکه می باشد. منابع یک ریزشبکه بر دو گونه کلی می باشند :

• منابع با کنترل جریان
• منابع با کنترل ولتاژ

در یک منبع کنترل جریان توان خروجی منبع براساس ورودی های غیرقابل کنترل آن تعیین می شود. به عنوان مثال یک سیستم تولید توان همچون توربین بادی و یا سلول خورشیدی از این نوع می باشد. این منابع براساس الگوریتم ردیابی حداکثر نقطه توان (MPPT) که در آن ها بکار رفته نسبت به ایجاد توان خروجی در حال کار می باشند. به طور مشخص در این نوع از منابع نمی توان متغیرهای اساسی بیان شده (ولتاژ و فرکانس) را بر تولید توان منوط کرد. البته در یک حالت خاص که وجود یک مبدل DC/AC بر روی منبع کنترل شده با جریان می باشد می توان پخش توان به صورت اکتیو و یا راکتیو را کنترل کرد.

در هر ریزشبکه نیازمند وجود حداقل یک منبع کنترل شده با ولتاژ هستیم. منابع از این دست همچون ماشین سنکرون (متصل به ژنراتور دیزل) ، باتری و سایر منابع از این دست می باشند. مشخصا می توان از هر دوی این منابع در ریزشبکه داشت که این حالت نیازمند ایجاد یک کنترل اشتراکی بین این منابع نیز می باشد. وظیفه منبع کنترل شده با ولتاژ دریافت سیگنال های فرکانس و ولتاژ ریزشبکه و ایجاد توان خروجی مورد نظر با این منابع می باشد. این سیگنال ها به عنوان فیدبک سیستم شناخته می شوند.

در این پروژه از مدل سازی یک ریزشبکه با فرض بار محلی ، توربین بادی به عنوان منبع کنترل شده با جریان و ماشین سنکرون متصل به دیزل ژنراتور به عنوان منبع کنترل شده با ولتاژ می باشد. هدف در این پروژه طراحی یک سیستم کنترل مقاوم ریزشبکه برای فیدبک ماشین سنکرون می باشد، بطوریکه بتواند در حضور نامعینی های ریزشبکه ناشی از اضافه بار، خطا و تغییرات توان توربین بادی در اثر تغییرات سرعت ، پایداری ریزشبکه را از نقطه نظر فرکانس برآورده نماید.

توضیحات کلی

کنترل مقاوم یکی از روش های شناخته شده در پایدارسازی سیستم های با نامعینی های ساختاری و پارامتریک می باشد. اینگونه نامعینی ها در اکثر سیستم های قدرت به عنوان مسئله ای حتمی وجود دارند. روش های کنترل مقاوم شامل روش های H2 ، H inf (اچ اینفینیتی) و روش میو می توانند برای انجام این مسئله مورد استفاده قرار گیرند.

در کنترل مقاوم ریزشبکه اصل اول مدل سازی دقیق سیستم به همراه نامعینی ها می باشد. مدل تابع تبدیلی سیستم می تواند اولین گام در این مسئله باشد. در این مرحله نیاز است تا با تنظیم تابع تبدیل بخش های مختلف ریزشبکه نسبت به ساخت مدل نهایی اقدام کرد. یک ریزشبکه با ساختاری که معرفی شد، می تواند بصورت زیر بلوک بندی شود.

مدل نهایی بدست آمده برای ریزشبکه در حضور توربین بادی

این مدل می تواند از مقالات رفرنس موجود در این زمینه استخراج گردد. آنچه در مورد این بلوک بندی می توان اشاره کرد بصورت زیر می باشد:

• مدل یک ماشین سنکرون شامل مدل سری شده یک گاورنر ، توربین و ژنراتور دیزل به عنوان محرک توان می باشد.
• در مدلسازی این ریزشبکه می توان نقطه تجمیع توان را به صورت باس مشترک(با فرض یک سیستم قدرت(ریزشبکه) با باس مشترک) در نظر گرفت.
• فرض باس مشترک باعث می شود تا بتوان کلیه تولید توان را در پشت مدل دیزل قرار داد.
• منابع کنترل شده جریان نظیر توربین بادی به هر تعداد در نقطه باس مشترک تاثیرگذار خواهند بود.
• برای مدل سازی منابع کنترل شده جریان نیاز است تا ساختمان داخلی روابط آن ها را کاملا و به درستی بیان کنیم. در این مرحله می توان فرض های خطی سازی برای سیستم انجام داد.
• منابع ورودی نظیر سرعت باد برای توربین بادی باید در مکان نمای مناسب در نظر گرفته شوند. اصل در این کارها قرار دادن یک پروفیل پراکنده برای این سرعت می باشد(از اعداد ثابت برای سرعت پرهیز شود-مقادیر با متوسط سرعت نامی و همراه با نویز پیشنهاد می شود).
• محل قرار گیری سیستم کنترل به درستی تعیین شود. سیستم کنترل همواره ارائه دهنده رفرنس نهایی می باشد. بنابراین برای تعیین بار رفرنس می توان از این بلوک استفاده کرد.

بر همین اساس و طبق نکته 6 مدل یک توربین بادی را می توان بصورت شماتیک زیر در نظر گرفت :

شماتیک یک توربین بادی

در این توربین سیستم کنترل محلی توان، کنترل محلی سرعت دور روتور(مشتق زاویه فرکانسی) به عنوان ورودی های کنترل کننده پیچ بکار رفته اند. کنترل کننده پیچ (Pitch Control) در یک توربین بادی به منظور تنظیم زاویه پره ها بکار می رود و بطور مستقیم در فرمول توان توربین وارد می شود.

در محاسبه توان خروجی توربین بادی (یا در این بلوک بندی تغییرات توان از مقدار نامی) نیاز است تا از رابطه مربوطه که در بسیاری مراجع می توان یافت استفاده کرد.

فرمول توان توربین بادی

همانطور که می بینیم این رابطه با توان سوم سرعت باد نسبت مستقیم دارد.

بیان الگوریتم

در این پروژه پایان نامه از کنترل مقاوم ریزشبکه به منظور پایداری سیستم در شرایط نامعین استفاده شده است. به این منظور مقادیر ریزشبکه نظیر ثابت های زمانی و اینرسی مجازی به صورت نامعین تعیین شده اند. این نامعینی به صورت یک رنج تعیین می شود. به منظور استفاده از روش مقاوم پلنت جنرال (Generalized Plant)  توسعه یافته با استفاده از وزن دهی مناسب سیگنال های خطا ، کنترلر و خروجی تشکیل شده است.

نمایش مدل جنرال شبکه

برای این مدل حل LMI به منظور بدست آوردن مدل کنترل مقاوم ریزشبکه با استفاده از تکنیک H اینفینیتی تشکیل شده است. بلوک بندی سیستم نهایی در حضور کنترل کننده به صورت شکل زیر می باشد.

مدل سیستم در حضور کنترل کننده

شبیه سازی  پروژه

به منظور انجام فرآیند شبیه سازی پروژه پایان نامه مورد نظر دو مرحله کار انجام شده است. در مرحله اول نیاز است تا مدل فضای حالت سیستم معرفی شده و با تشکیل توابع وزن دار مدل جنرال پلنت تشکیل شود. در این مرحله می توان از جعبه ابزار کنترل مقاوم متلب استفاده کرد. در این جعبه ابزار توابع مورد نیاز جهت تعریف پارامترهای نامعین و تشکیل پلنت با استفاده از توابع وزن دار موجود می باشد که در مورد این مسائل در بخش آموزش متلب، آموزش های اولیه ارائه شده است.

در بخش بعد با استفاده از سیستم کنترل و پلنت جنرال (پلنتی که شامل در نظر گیری نامعینی ها می باشد) در متلب بصورت بلوک بندی شده بیان می شود(شکل 3). با استفاده از اجرای سیمولینک تشکیل شده می توان پایداری یا ناپایداری نتیجه را ملاحظه کرد. البته از حل LMI و پاسخ میوی نهایی نیز می توان به این نتیجه رسید.

پس از اخذ پاسخ پایدار از سیمولینک می توان از این کنترل کننده در مدل واقعی شبکه استفاده کرد و نتایج کار را مورد مقایسه قرار داد.

در ادامه نتایج نهایی کار به صورت مقایسه شکل موج فرکانس در حضور کنترل مقاوم ریزشبکه و کنترل PI متداول قرار گرفته است.

مقایسه نتیجه بدست آمده برای فرکانس

منبع : برق تِک