در یک نگاه ریزشبکه ها را می توان به صورت بخش هایی از شبکه انرژی در نظر گرفت که توانایی ایجاد پایداری توان در آن بدون بهره گیری از شبکه بالادست قابل دسترس است. ریزشبکه ها دارای تنوع بالایی در تشکیل ، انواع بار و مولدها و نحوه کنترل می باشند. اما آنچه مهم است کنترل ریزشبکه ها دارای یک چهارچوب مدون می باشد. هدف اصلی در این کنترل پایداری ولتاژ – فرکانس ریزشبکه می باشد.

اغلب سناریوهایی که در شبکه های توان گسترده با آن مواجه هستیم به شکلی قابل تعمیم به ریزشبکه ها نیز می باشند.

منابع انرژی یا مولدها، یک بخش مهم هر شبکه الکتریکی هستند. از تأثیراتی که منابع انرژی بر روی شبکه های الکتریکی می گذارند می توان به مصرف سوخت ، انتشار آلاینده ها ، هزینه بهره برداری ، راندمان ، ساختار ترکیبی و توان خروجی اشاره نمود که از یک نوع شبکه به نوع دیگر متفاوت خواهند بود.

در ریزشبکه می توان از منابعی مانند سلول های فتوولتائیک ، توربین بادی ، پیل سوختی ، سیستم تولید همزمان برق و حرارت ، سیستم ترکیبی تولید برق – حرارت و سرمایش ، میکروتوربین ، دیزل ژنراتور ، دیگ آب گرم و غیره استفاده نمود.

به دلیل رفتار غیرقطعی مولدهای تجدیدپذیر، مولدهای معمولی مانند دیزل ژنراتور(DEG) و میکروتوربین(MT) همچنان بخش‌ اعظمی از منابع شبکه‌های الکتریکی را تشکیل می دهند. همچنین، توربین بادی و سلول فتوولتائیک از بقیه انواع مولدهای تجدیدپذیر بیشتر مورد استفاده قرار گرفته‌اند و دلیل آن توسعه بالا و هزینه‌های سرمایه‌گذاری پایین آن ها بوده است.

شکل 1 ) شمای کلی یک ریزشبکه در حضور منابع انرژی نو

سلول فتوولتائیک

در سال های اخیر در سراسر دنیا شاهد افزایش تولید انرژی الکتریکی با استفاده از سیستم های فتوولتائیک خورشیدی بوده ایم و از دلایل آن می توان به فواید فنی و همچنین فواید زیست محیطی متعدد این سیستم ها اشاره نمود . البته ذکر این نکته ضروری است که وابستگی سیستم های فتوولتائیک به شرایط آب و هوایی و همچنین هزینه نصب بالای آن ها ، از چالش های اصلی این نوع سیستم ها در حال حاضر محسوب می شود. طبیعت غیرخطی مشخصه توان – ولتاژ (P-V) یک سیستم فتوولتائیک نیاز به تکنیک ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT) برای ماکزیمم کردن راندمان تبدیل توان دارد.

نقطه توان ماکزیمم (MPP) در یک سیستم تولید-توان فتوولتائیک ، نقطه ای منحصر به فرد در منحنی توان- ولتاژ تحت یک تابش خورشیدی و دمای محیطی معین است و با عوامل محیطی مانند تابش خورشیدی ، دما و سایه جزئی تغییر می کند . ازآن جایی که این پارامترها به طور پیوسته تغییر می کنند ، ردیابی موثر نقطه حداکثر توان در سیستم فتوولتائیک مساله ای  پر اهمیت است .

آرایه های خورشیدی که در سیستم فتوولتائیک وجود دارند ، تشعشعات خورشیدی را جمع آوری نموده و آن را به توان جریان مستقیم (DC) تبدیل می کنند .پنل های خورشیدی سه نوع تابش را جذب می کنند :

• تابش مستقیم
• تابش پخشی
• تابش انعکاسی

به منظور مدلسازی سلول فتوولتائیک در نرم افزار متلب بایستی مدل ریاضی فتوولتائیک در آن پیاده سازی شود . اما یک مدل آماده از سلول فتوولتائیک در نرم افزار متلب (ورژن های جدید) قرار داده شده است که می توان در آن با تعیین تعداد سلول های سری و موازی نسبت به طراحی شبکه مورد نظر اقدام نمود . در گام بعدی شبیه سازی سلول خورشیدی نیاز است که یک مبدل ولتاژ DC به DC در متلب برای آن شبیه سازی شود که به این منظور می توان از مبدل های باک یا بوست استفاده کرد. برخی از این مبدل ها بصورت آماده در متلب قابل دسترسی هستند که با کنترل کننده های PI طراحی شده اند.

توربین بادی

توربین بادی برای تبدیل انرژی چنبشی مورد استفاده قرار می گیرد و تعدادی ژنراتور دارد تا توان مکانیکی را به توان الکتریکی تبدیل کند . امروزه افزایش موضوعات زیست محیطی به ویژه نگرانی پیرامون گرم شدن کره زمین توجه همگان را بیش از پیش به منابع انرژی تجدیدپذیر معطوف نموده است و انرژی باد نقشی اساسی در این زمینه ایفا کرده و میتوان از آن به عنوان یکی از متداول ترین سوخت های تجدیدپذیر یاد کرد . البته شایان ذکر است که استفاده از انرژی باد همچنان نیاز به پیشرفت های تکنولوژیکی بسیاری دارد .کنترل توربین های بادی نقش مهمی در کاربردهای انرژی باد داشته و راندمان بالای آن ها و اقتصادی بودن آن ها را تضمین می نماید .

باد نوعی انرژی نامتناهی ، تجدیدپذیر و پاک است که می تواند کمک شایانی به حل مساله افزایش تقاضای انرژی در بسیاری از کشورها داشته باشد . از این رو علی الخصوص در دو دهه گذشته ، بهره مندی از انرژی باد ، رشد چشمگیری را در سطح جهانی تجربه نموده است و به عنوان مثال ظرفیت مجموع تجهیزات مرتبط با صنعت باد در سراسر جهان از 1.29 گیگا وات در سال 1995 به 370 گیگاوات تا پایان سال 2015 افزایش یافت و انتظار می رود در سال های آتی شاهد توربین های بادی بزرگتر و با ظرفیت نصب بالاتر باشیم . بر خلاف سایر منابع انرژی ، باد غیر قابل کنترل است و شار آن یک فرآیند به شدت تصادفی ، و دارای متغیرهایی هم در زمان و هم در فضا میباشد .از طرف دیگر سیستم کنترل به کار رفته در توربین های بادی بسیار مهم بوده و موجب آن میگردد تا از عهده متغیربودن باد بربیاییم و انرژی به طریقی مطمئن و افتصادی تولید گردد . زاویه پیچ پره و گشتاور ژنراتور پارامترهای اصلی هستند که باید در توربین های بادی کنترل شوند . کنترل زاویه پیچ این امکان را میدهد تا گشتاور ورودی باد را کنترل کنیم تا یک تولید توان نرم داشته و بارهای مکانیکی را کاهش دهیم.

در مدل سازی توربین بادی در نرم افزار متلب باید نوع آن مورد نظر قرار گیرد. انواع مدل های آماده شبیه سازی توربین بادی در نرم افزار متلب و در دموهای آن قرار دارند که با تایپ کلید واژه wind turbine در help نرم افزار متلب قابل دسترسی می باشند. بکارگیری مناسب یک مبدل DC به DC در خروجی توربین بادی از الزامات شبیه سازی مورد نظر می باشد.

سیستم تولید همزمان برق و حرارت

یکی از تولیدات پراکنده که این روزها محبوبیت استفاده از آن رو به افزایش است ، سیستم تولید همزمان برق و حرارت (CHP) میباشد و دلیل آن این است که خروجی واحد تولید همزمان میتواند در یک بازه وسیع کنترل شود و توانایی رمپینگ آن در حد کافی می باشد. به علاوه ، زمانی که انرژی الکتریکی تولید می گردد ، یک واحد تولید همزمان برق و حرارت می تواند حرارت تلف شده را بازیابی کرده تا بارهای گرمایشی و سرمایشی ساختمان را تغذیه نماید . این ویژگی موجب افزایش راندمان کل سیستم می گزدد . واحدهای کوچکتر که حدود چند صد کیلووات توان دارند می توانند به راحتی با سیستم های تغذیه انرژی ساختمان یکپارچه شوند و این مورد باعث می شود آن ها را به عنوان منابع تولید ایده آل برای کاربردهای ریزشبکه در نظر بگیریم .قطعات اصلی یک واحد تولید همزمان برق و حرارت شامل یک محرک اصلی( به عنوان مثال توربین ، موتور و یا پیل های سوختی ) ، یک ژنراتور و واحدهای بازیابی حرارت می شوند .

شبیه سازی کامل یک سیستم CHP در نرم افزار متلب کار ساده ای نخواهد بود چرا که این سیستم دارای پیچیده گی های فراوانی نسبت به سایر منابع انرژی نو می باشد. اما می توان این شبیه سازی را بصورت یک منبع جریان وابسته به سوخت CHP مورد نظر قرار داده و با یک طراحی ساده تر توانست نتیجه بهینه ای از کارکرد سیستم تولید همزمان برق و حرارت در شبکه گرفت.

سیستم های ذخیره کننده انرژی

توسعه شبکه‌های الکتریکی و رشد بار، مقدار مصرف توان را به سرعت افزایش می‌دهد، به بیان دیگر، در نتیجه مزایای مختلف منابع تجدیدپذیر و نفوذ بالای آن‌ها، عدم قطعیت‌های شبکه‌های الکتریکی افزایش می‌یابند. از این رو به کارگیری ذخیره‌کننده انرژی یک جنبه غیرقابل انکار در ریزشبکه ها می باشد.

سیستم ذخیره کننده انرژی بر مبنای استفاده از انرژی در یک شکل مشخص طبقه بندی می شود . سیستم ذخیره کننده انرژی می تواند به صورت مکانیکی ، الکتروشیمیایی ، شیمیایی ، حرارتی ، و سیستم ذخیره کننده انرژی ترکیبی طبقه بندی شود.

انواع باتری ، ذخیره کننده انرژی با هوای فشرده ، ذخیره کننده انرژی چرخ طیار ، ابرخازن ها ، ذخیره کننده انرژی مغناطیسی با ابر رسانایی ، ذخیره کننده هیدروژن ، و ذخیره کننده های انرژی ترکیبی از پرکاربردترین تکنولوژی های ذخیره کننده ها برای کاربردهای ریزشبکه هستند .

کاربردهای سیستم ذخیره ساز انرژی در ریزشبکه

سیستم‌های ذخیره‌کننده انرژی (ESS) مانند باتری‌های لیتیوم یون( Li-ion ) و سیلد اسید ( lead-acid ) به طور مکرر در ریزشبکه‌ها برای اهداف مختلفی استفاده می‌گردند و از آن اهداف می‌توان به تعیین مکان و اندازه بهینه، شارژ یا دشارژ بهینه، کاهش مصرف بار در ساعات پیک، افزایش درآمد، و ذخیره توان اضافی منابع تجدیدپذیر اشاره کرد .

کاربردهای کلی سیستم های ذخیره ساز انرژی در شکل زیر نمایش داده می شود :

شکل 2 ) فناوری های ذخیره سازی انرژی

در شبیه سازی باتری در نرم افزار متلب و در محیط سیمولینک راهکارهای مختلفی پیش رو می باشد. در گام اول می توان از باتری های موجود در دموهای متلب که از help نرم افزار قابل دسترسی می باشند استفاده کرد ولی این مدل ها کاربرد اختصاصی و در حضور جزئیات کامل برای آن مدل اختصاصی شده می باشند. این مسئله باعث می شود که باتری های مورد نظر توان بالایی از شبیه ساز را به خود اختصاص داده و زمان شبیه سازی را به صورت قابل توجهی افزایش دهند ، در اغلب کارهای شبیه سازی مقالات و تزها و مخصوصا در شبیه سازی های که تعداد فراوانی از منابع انرژی نو به کار گرفته می شوند مدل ساده شده ای از باتری به کار گرفته می شود که شامل یک منبع ولتاژ DC به همراه یک برنامه نویسی برای وضعیت شارژ یا SOC باتری می باشد. بدیهی است که در برنامه نویسی مورد نظر می توان شیب شارژ و دشارژ و برخی ویژگی های باتری را اضافه نموده و از طرفی توسط خط شکن یا Breaker در مواقع لزوم نظیر تخلیه باتری به زیر مقدار نامی آن را از شبکه قطع کرد.

پیل سوختی

پیل سوختی به عنوان یک واحد تولید که انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند در نظر گرفته می شود . ذکر این نکته ضروری است که پیل سوختی می تواند مادامی که سوخت آن تامین گردد انرژی الکتریکی را تولید نماید . پیل سوختی می تواند انرژی الکتریکی و انرژی حرارتی بازیابی شده را فراهم آورد . تولید انرژی الکتریکی و حرارتی پیل سوختی تقریبا مساوی در نظر گرفته می شوند . در زمان بار پیک ، هیدروژن می تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شده و تقاضای بار را تامین نماید که راندمان سیستم را افزایش داده و هزینه های بهره برداری ریزشبکه را کاهش می دهد .

امروزه ، سیستم های انرژی هیدروژن یکی از ضروری ترین واحدهای ریزشبکه ها شده اند و از رایج ترین انواع پیل سوختی مورد استفاده در ریزشبکه ها می توان به پیل های سوختی با غشای مبادله کننده پروتون (PEM) اشاره نمود .

هیدروژن می تواند به وسیله سیستم الکترولایزر حاصل شود و پیل سوختی هیدروژنی به عنوان پشتیبان واحد ژنراتور در ریزشبکه مورد استفاده قرار می گیرد .

به منظور بکارگیری پیل سوختی در محیط شبیه سازی متلب انواع آماده آن در دموهای متلب قابل دسترسی است که به صورت مناسبی کار می کنند.

الکترولایزر

الکترولایزر وسیله ای است که از الکتریسیته استفاده میکند تا هیدروژن و اکسیژن را جدا نماید . در دوره هایی که تولید منابع درون ریزشبکه بالاست ، الکتریسیته اضافی به سیستم الکترولایزر رفته و هیدروژن تولید می گردد و این هیدروژن در مخزن هیدروژن ذخیره می شود . در مواردی که تولید کمتر از تقاضا باشد هیدروژن ذخیره شده در پیل سوختی به شکل الکتریسیته در می آید .

انواع مختلفی از الکترولایزرها وجود دارند که می توان آن ها را به وسیله نوع الکترولیت ، دمای کارکرد و حامل شارژ مورد استفاده تقسیم بندی نمود .رایج ترین انواع پیل سوختی عبارتند از :  الکترولایزر آلکالاین ، الکترولایزر ممبران تبادل پروتون (PEMEL) و الکترولایزر اکسید جامد (SOEL) . معمولا بدین گونه است که الکترولایزرهای نوع آلکالاین جزو تکامل یافته ترین تکنولوژی الکترولایزر در بازار شناخته می شوند که نسبت به سایر الکترولایزرها هزینه های سرمایه گذاری پایین تر و راندمان بالاتر دارند .

ابر خازن

نقش ابرخازن ها در صنعت ذخیره کننده های انرژی روز به روز دارای اهمیت بیشتری میشود و دلیل آن چگالی توان بالا و چرخه عمر طولانی آن هاست . در سال های اخیر ، ابرخازن ها پیشرفت غیرمنتظره ای داشته اند و مواد کربنی رایج ترین مواد برای ابرخازن ها هستند .

در مقایسه با باتری ها ، ابرخازن ها می توانند چگالی توان بالاتر ، چرخه عمر طولانی ، رنج دمای عملکردی وسیع و توانایی شارژ و دشارژ سریع را فراهم آورند . در حال حاضر ، ابرخازن ها به طور گسترده در تجهیزات الکترونیک قابل حمل ، سیستم های پشتیبان حافظه و شبکه های هوشمند استفاده می شوند . با ظهور خودروهای الکتریکی هیبریدی شاهد آن هستیم که ابرخازن ها و باتری ها می توانند مکمل یکدیگر در پشتیبانی انرژی باشند . در واقع ابرخازن ها می توانند در طول شتاب یا ترمز ، از باتری در برابر شارژ و دشارژ فرکانس بالا محافظت نمایند . از لحاظ کارکرد ، این چنین می توان عنوان نمود که ابرخازن ها شکاف بین خازن های سنتی و باتری های با قابلیت شارژ مجدد را پر میکنند و در مواقع مورد نیاز انرژی را به وسیله جذب برگشت پذیر یون ها بر روی سطح الکترود تحت پتانسیل اعمال شده ذخیره می نمایند .

در ورژن های جدید متلب ابرخازن در دموهای آن قابل دسترسی می باشد.

منبع : برق تِک