مقدمه

چگونه باید توان حاصل از منابع تولید پراکنده را به شبکه انتقال داد ؟ این منابع توان اغلب خروجی DC دارند و در اولین گام نیاز است تا یک توان DC با ولتاژ تثبیت شده را بتوان از آنها کسب نمود. منابعی نظیر سلول های خورشیدی ، توربین های بادی ، پیل های سوختی و باتری از این نوع می باشند. گام دوم و اساسی لزوم طراحی یک توپولوژی اینورتری برای تبدیل توان DC به AC یا همان DC/AC می باشد. این عملیات برای برخی از منابع تولید پراکنده نظیر باتری و یا الکترولایزر مجهز به تانک هیدروژن یک اینورتر دو سویه است.

بحثی که در این میان پیش می آید لزوم حفاظت از سیستم های اینورتری در مقابل اضافه بار یا اضافه جریان شبکه می باشد. این حالت بیشتر متوجه زمانی است که در سیستم جزیره ای یا متصل به شبکه مورد نظر خطا رخ دهد. این خطا باعث بروز اضافه جریان در شبکه خواهد شد.

سیستم کنترل اینورترهای کنترل شده با ولتاژ

 اینورترهای کنترل شده با ولتاژ از حلقه داخلی کنترلر جریان استفاده شده است. بدین ترتیب که محدود کننده های با عملکرد لحظه ای و قفل شده با انواع مختلفی از استراتژی های ریست به منظور بررسی عملکرد صحیح محدود کننده ها به هنگام وقوع و پاکسازی خطا بررسی می شوند. به منظور بررسی نتایج تمامی موارد مورد بررسی بر روی یک سیستم با اینورترهای 10 کیلو ولت آمپر و اعمال خطاهای شبکه سه فاز با امپدانس پایین بررسی شده اند. به منظور انجام مقایسه شکل موج های جریان و ولتاژ اینورتر مورد بررسی قرار گرفته اند تا چگونگی عملکرد استراتژی مورد نظر در محدود کردن جریان پس از رفع خطا بررسی شود.

سیستم کنترل مورد استفاده در این خصوص از دو حلقه کنترلی تشکیل شده است که در شکل زیر نمایش داده شده است :

شکل 1 ) سیستم کنترل حلقه بسته با لوپ های چندگانه به صورت مدل کنترل منبع اینورتر

همانطور که در شکل 1 مشخص است حلقه داخلی به منظور کنترل جریان شارش یافته از پل سوئیچ زنی و فیلتر خازنی می باشد که در شکل 2 نشان داده شده است :

شکل 2 ) شماتیک کنترل کننده جریان در حلقه داخلی

این سیستم کنترل از نوع تناسبی رزونانسی غیر ایده آل می باشد که دارای سیستم ردیابی مقدار مرجع با تکنیک انتگرالی آنتی ویند آپ[1] می باشد. آنتی ویند آپ به منظور جبران انتگرال گیر در زمانی که الگوریتم محدود کننده خروجی کنترلر را محدود می کند بکار رفته است. این سیستم کنترل بالاترین پهنای باند را فراهم کرده است که کیفیت توان مناسبی را فراهم آورده و به خوبی جریان خروجی اینورتر را محدود می کند.

حلقه کنترل خارجی به منظور کنترل ولتاژ دو سر خازن طراحی شده است که در شکل 3 نمایش داده شده است :

شکل 3 ) شماتیک کنترل کننده ولتاژ در حلقه خارجی

در بیشتر مقالات مقدار رفرنس ولتاژ به صورت ثابت در نظر گرفته شده است.

محدودسازی جریان برای حفاظت از سیستم اینورتری

از طرفی نیاز است تا خروجی حلقه های داخلی و خارجی کنترل محدود شوند تا اینورتر در مقادیر خارج از محدوده فیزیکی خود از لحاظ ولتاژ و جریان قرار نگیرد. به منظور تطبیق پذیری سیستم با بارهای نامتعادل نیاز به یک پایه خنثی می باشد بنابراین در مقالات از مدل 4 سیمه برای اینورتر استفاده شده است.

در این مطالعه 7 مورد مختلف از محدودیت های اشباع آنی و محدودیت های قفل با سیگنال های مختلف تنظیم مجدد برای حلقه های داخلی و خارجی مورد بررسی قرار گرفته است. در تمامی این موارد سیستم کنترل مجهز به آنتی ویندآپ بکار گرفته شده است. محدودیت اشباع آنی در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل 4 ) شماتیک محدود اشباع آنی

این مدل محدود کننده به سادگی توسط بلوک اشباع در شبیه سازی قابل پیاده سازی است و تنها زمانی فعال می شود که سیگنال رفرنس به مقادیر بالاتر از محدوده فرض شده برسد. استراتژی بعدی محدودیت قفل[2] است که از سیگنال های تریپ[3] و ریست[4] به منظور گذر بین دو حالت عملیات نرمال و عملیات محدود استفاده می کند. عملیات نرمال برای حالتی است که خروجی محدود کننده برابر با ورودی محدود کننده می باشد. عملیات محدود برای حالتی است که ورودی محدود کننده  در نظر گرفته نمی شود و خروجی محدود کننده برابر با سیگنال مرجع داخلی خواهد بود که به عنوان رفرنس محدود کننده شناخته می شود . بطوریکه :

• زمانی که سیگنال تریپ از 0 به 1 می رود محدود کننده از حالت قبلی به حالت محدود سوئیچ می شود.
• زمانی که سیگنال ریست از 0 به 1 می رود محدود کننده از حالت قبلی به حالت نرمال سوئیچ می شود.
• اگر هر دوی سیگنال های ریست و سوئیچ از 0 به 1 بروند در آن صورت سیگنال ریست اولویت خواهد داشت
• زمانی که هر دو سیگنال 0 باشند یا از 1 به 0 بروند محدود کننده بدون تغییر حالت قبلی کار خواهد کرد.

شکل زیر شماتیک ریست/تریپ برای محدود کننده جریان را نشان می دهد. که می تواند از مقادیر رفرنس مختلف که در مقالات نوشته شده برای تعیین محدوده استفاده کند.

شکل 5 ) شماتیک ریست / تریپ برای محدود کننده جریان

در اغلب بررسی ها معادل همین شماتیک برای محدود کننده ولتاژ نیز بکار گرفته شده است. به منظور بررسی کار می توان از یک مدل تجربی یا شبیه سازی شده به شکل زیر استفاده کرد :

شکل 6 ) شماتیک دیاگرام آزمایشگاهی مورد بررسسی برای 7 حالت مختلف

می بینیم که از یک مدل امپدانس پایین (مقاومت 1.2 اهمی) برای شبیه سازی خطا استفاده شده است. و سیستم دارای 2 بار در شبکه می باشد. نتایج مطالعات نشان می دهد که به منظور جلوگیری از سطوح بالای اعوجاج شکل موج های جریان و ولتاژ در طی خطا ، محدود کننده جریان (که بر روی مقدار مرجع جریان در خروجی کنترل کننده ولتاژ قرار دارد) بایستی دارای توابع تریپ / ریست باشد این عملکرد تریپ / ریست باعث حفظ رفرنس جریان سینوسی در طی خطا و بازیابی شبکه می شود و از اعوجاج های با سطوح بالا جلوگیری می کند. همچنین از مطالعات نتیجه می شود که بکارگیری سیستم محدود کننده خروجی ولتاژ از نوع اشباع آنی بهترین نتایج را خواهد داشت. حال آنکه استفاده از سیستم تریپ / ریست معرفی شده در شکل 5 می تواند نتایج بهتری از حالت اشباع آنی برای محدود کننده جریان داشته باشد.

استفاده از امپدانس مجازی در اینورترهای کنترل شده با ولتاژ

روش دیگر به کار رفته به منظور حفاظت از سیستم اینورتری برمبنای امپدانس مجازی می باشد. اساس آن بر کاهش بزرگی رفرنس ولتاژ در مواقع اضافه جریان در خروجی ژنراتور می باشد. این امپدانس (مقاومت) تنها در شرایطی که جریان بالای مقدار آستانه باشد فعال می شود. حال اگر جریان آستانه را با  نمایش داده شود. در مقادیر جریان پایین تر از این حد آستانه امپدانس فعال نمی باشد و فرمولاسیون معمول برای ولتاژهای فازها را خواهیم داشت حال آنکه به هنگام بروز اضافه جریان با وارد شدن امپدانس مجازی رفرنس ولتاژ اعمال شده به فیلتر LC برابر خواهد بود با :

برطبق محاسبات می توان مقدار چریان آستانه مورد نظر در فرمول بالا را می توان به صورت زیر در محورهای dq بدست آورد :

این مقاومت مجازی به صورت کلیدزنی در مواقع اضافه جریان وارد مدار شبکه می شود تا بتواند جریان را به مقادیر آستانه محدود کند.

منبع : مجموعه مقالات

[1] Anti wind-up

[2] Latch limit

[3] trip

[4] reset