شبکه های توان سراسری امروزه با مشکلات مختلفی از قبیل اتلاف توان بالا در خطوط شبکه ، احتمال وقوع انواع خطاهای شبکه و به دنبال از دست رفتن توان برای شبکه مواجه هسستند. این مسئله می تواند به هنگام تامین توان برای بارهای حساس مهم تر باشد. از سویی دیگر گسترش روزافزون مصرف برق و نیاز عدیده مصرف کنندگان به آن همچنین لزوم رعایت حفاظت از محیط زیست، استفاده از منابع تولید پراکنده تجدیدپذیر (DG) برای تأمین انرژی پاک و تجدیدپذیر، توجه متصدیان را به خود جلب کرده است . منابع تجدیدپذیر می توانند با استفاده از انرژی های رایگان موجود در طبیعت نسبت به فراهم آوردن توان الکتریکی در شبکه اقدام کنند. با حضور DGها، امکان جدا شدن مجموعه ای از بارها و ذخیره سازها به همراه DGها فراهم شده که خود باعث بالا رفتن قابلیت اطمینان سیستم و ظهور مفهوم ریزشبکه های جزیره ای برای تولید پایدار نیروی برق و بهره برداری مناسب از DGها در مقیاس کوچک شده است . مفاهیم مهمی همچون پایداری ریزشبکه، قابلیت اطمینان ریزشبکه و دریافت حداکثر توان از جمله مهمترین مباحث در زمینه ریزشبکه ها می باشند. الزام نیست این منابع انرژی در یک مکان قرارگرفته باشند، بلکه میتوانند بسته به سهولت برداشت نیرو، در ریزشبکه پخش شوند. اغلب منابع ریزشبکه به صورت ذاتی دارای توان خروجی DC می باشند با این حال متصل شدن DGها با یک سیستم AC یا DC از طریق ادوات الکترونیک قدرت موجب قابلیت کنترل بالا در تبدیل کردن سطح توان میشود . ریزشبکه را میتوان در دو حالت جزیره ای (Islanded) و یا متصل به شبکه در نظر گرفت . بکارگیری یک ریزشبکه در حالت جزیره ای شده از مهمترین چالش های این شبکه ها می باشد. روشهای مختلفی برای اتصال DGها با سیستم قدرت معرفی، توسعه و پیاده سازی شده است . کنترل ریزشبکه های AC با پخش بار، تنظیم ولتاژ و انواع مسائل کیفیت توان درگیر هستند .  ولی در ریزشبکه های DC مسائل کیفیت توان مثل توان غیرفعال مطرح نیستند به همین دلیل ریزشبکه های DC در مقایسه با ریزشبکه های AC کارایی و قابلیت اطمینان بالاتری داشته، و کنترل آن راحت تر بوده و به دلیل تلفات پایین شبکه اقتصادی تر است.

شکل 1 ) شماتیک یک ریزشبکه DC به همراه ادوات مورد نیاز

ساختار کلی ریزشبکه DC

ساختار کلی ریزشبکه های DC در سطح ولتاژ پایین در شکل زیر آورده شده است در این ریزشبکه ها یک بخش مربوط به منابع تولید پراکنده ای می باشد که صرفا به عنوان مولد توان وارد شبکه می شوند که از آن جمله توربین های بادی ، پنل های خورشیدی و سلول های سوختی را می توان نام برد. بخشی دیگر از منابع تولید پراکنده به عنوان منابعی دو طرفه مطرح می باشند که در شبکه قابلیت کنترل را فراهم می آورند که ذخیره ساز انرژی از آن نوع می باشد. نهایتا انواع بارها را می توان در ریزشبکه های DC استفاده کرد که بارهای DC و AC از این نوع خواهند بود.

شکل 2 ) ساختار کلی ریزشبکه های DC در سطح ولتاژ پایین

سطوح ولتاژ در ریزشبکه DC

قابلیت استفاده از انواع بارهای DC در ریزشبکه می تواند باعث افزایش کاربری آن شود این مسئله بایستی به طور مدون در ریزشبکه در نظر گرفته شود تا بتوان از آن در کاربردهای مختلف خانگی ، صنعتی و همینطور بارهای حساس ریزشبکه استفاده کرد. استفاده از انواع مبدل ها (Converter) در ریزشبکه می تواند به این امر کمک بسزایی نماید. از طرفی در کشورهای مختلف استانداردهای متفاوتی به منظور نقطه کار ولتاژ ریزشبکه های DC در نظر گرفته می شود.

کنترل در ریزشبکه های DC

با گسترش ریزشبکه های DC مسئله کنترل این ریزشبکه ها از مهمترین چالش های پیش رو می باشد. این کنترل در چندین لایه و سطح می تواند اجرا شود که بستگی به توسعه ریزشبکه مورد نظر و راه های ارتباطی و شبکه کنترل آن دارد. همچنین در اغلب ریزشبکه های پیشرفته یک سطح کنترلی به مدیریت توان یا انرژی اختصاص می یابد که الگوری پخش توان در ریزشبکه را مدیریت می کند.

ساختار کنترل به سه لایه به شرح زیر تفکیک میشود :

• لایه کنترل اولیه: از حلقه کنترل پایه دروپ و مبدل تشکیل شده است. میتواند تنظیم ولتاژ یا دقت اشتراک جریان را ارائه دهد. کنترل اولیه اساساً به عنوان کنترل غیرمتمرکز در نظر گرفته میشود. این سیستم کنترل از دو لوپ تشکیل می شود که لوپ خارجی مربوط به کنترل ولتاژ و لوپ داخلی مربوط به جریان می باشد.
• لایه کنترل ثانویه : علاوه بر کنترل اولیه، لایه های کنترل ثانویه به سیستم اضافه میشود که به کنترل اولیه برای ارائه اشتراک جریان متناسب و تنظیم ولتاژ به طور همزمان اشاره میکند
• لایه کنترل ثالثیه : این لایه به عنوان یک مکمل برای لایه های اول و دوم عمل می کند که بیشتر به عنوان مدیریت توان و انرژی بکار گرفته می شود.

روشهای کنترل در ریزشبکههای DC بر اساس سیستم ارتباطی را میتوان به صورت زیر دسته بندی کرد

• روش کنترل متمرکز : یک کنترل کننده مرکزی برای کنترل واحدهای تولید پراکنده و اطلاعات حمل شده از طریق پیوندهای ارتباطی با پهنای باند بالا استفاده میشود
• روش کنترل غیرمتمرکز : واحدهای DG بدون هیچگونه سیستم ارتباطی با تصمیم گیری مستقل بر اساس پارامترهای محلی موجود کنترل میشوند که دارای قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به حالت متمرکز می باشد.
• روش کنترل توزیع شده : هر کنترل کننده واحد از طریق یک گذرگاه مشترک با سایرین ارتباط برقرار میکند. این کنترل از یک سیستم ارتباطی دیجیتالی استفاده میکند

سیستم کنترل اولیه در ریزشبکه

لایه کنترل اولیه ریزشبکه DC از کنترل حلقه داخلی و کنترل دروپ، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، تشکیل شده است

شکل 3 ) روش های کنترل اولیه در ریزشبکه

اگرچه ما انواع مختلفی از مبدلهای DC/DC داریم، حالتهای کنترل را میتوان به دو نوع تقسیم کرد: حالت کنترل جریان و ولتاژ. حالت کنترل ولتاژ مبدلهای DC/DC ولتاژ مرجع را فراهم میکند و به عنوان یک منبع ولتاژ قابل کنترل عمل میکند. در حالت کنترل جریان مبدل به عنوان یک منبع جریان کنترل شده کار میکند. خروجی جریان برای مطابقت با مرجع داده شده تنظیم میشود. شکل 4 نشاندهنده یک حلقه ولتاژ منفرد به عنوان مبدلی است که در حالت کنترل ولتاژ کار میکند. کنترل کننده ولتاژ چرخه وظیفه را به عنوان خروجی ارائه میدهد. حلقه جریان در شکل 5 نشان داده شده است. جایی که چرخه وظیفه از طریق یک تنظیم کننده جریان تولید میشود.

شکل 4 ) حلقه کنترل ولتاژ در ریزشبکه

شکل 5 ) حلقه کنترل جریان در ریزشبکه

کنترل حلقه زنجیره ای در شکل 6 نشان داده شده است، جایی که مرجع یک ولتاژ معین باشد، کنترل حلقه کنترل کننده ولتاژ Gv جریان سلف مرجع و کنترل کننده جریان GI سیگنالهای سوئیچینگ را در خروجی خود میدهد

شکل 6 ) نمایش سیستم کنترل با دو لوپ خارجی ولتاژ و داخلی جریان

شبیه سازی ریزشبکه DC در سیمولینک متلب

در شبیه سازی های متلب برای انواع ریزشبکه ، دقت می کنیم که ریزشبکه DC به ریزشبکه ای اطلاق می شود که خط مشترک آن (Common Bus) یک خط DC باشد لذا این به معنی این نیست که در ریزشبکه DC باس (های) AC نخواهیم داشت. در طراحی ریزشبکه DC همچنین ممکن است سطوح مختلفی از خط ولتاژ داشته باشیم که این مسئله در ریزشبکه های AC با بکارگیری تراسفورماتور قابل حل است اما در ریزشبکه های DC نیاز به استفاده از کانورتر برای تبدیل های مورد نیاز می باشد. به این ترتیب چالش های زیر در یک ریزشبکه DC مطرح می باشد :

• احتمال وجود منابع AC : در این شرایط نیاز است تا به منظور ایجاد اشتراک توان مابین این منابع و خط DC از AC/DC استفاده کنیم.
• وجود بارهای AC : بهتر آن است که این بارها در محل ساب گریدهای با منابع AC قرار داده شوند تا هم از اعوجاجات ناشی از بکارگیری مکرر مبدل های مختلف رهایی یابیم ، هم تلفات توان کاهش یابد و هم اینکه در اجرای شبیه سازی سرعت شبیه سازی در حد مناسب حفظ شود.
• وجود سطوح مختلف ولتاژ DC : در این شرایط نیاز است که از کانورتر برای تبدیل ولتاژ سطوح استفاده شود. با توجه به اینکه ولتاژ باس مشترک عموما بالاتر از ولتاژ DC ساب گریدها می باشد اغلب از مبدل بوست به این منظور استفاده می شود.

منبع : برق تِک