پایداری دینامیکی ریزشبکه

مطالعه پیرامون پایداری دینامیکی ریزشبکه :

میکروگرید یا ریزشبکه به مجموعه ای از منابع تولید پراکنده شامل توربین بادی ، سلول خورشیدی و پیل سوختی و همینطور منابع ذخیره ساز انرژی گفته می شود که با اتصال به ماشین های سنکرون و آسنکرون و همینطور از طریق های مبدل های الکترونیک قدرت همچون باک و بوست به بارهای موجود در ریزشبکه متصل می شوند و آن را تغذیه می نمایند . در حالت معمول این ریزشبکه بدون پشتیبانی منبع اصلی شبکه قدرت کار می کند و به صورت مستقل عمل می کند و گاها در زمان های مشخص و تحت سناریوهایی از جمله خطا در شبکه اصلی می تواند جدا شده (جزیره ای شده) و به کار خود ادامه دهد .

نحوه ترکیب و شکل بندی منابع و استفاده از مبدل های مختلف و اینترفیس های گوناگون بالتبع شرایط پایداری مختلفی را برای شبکه رقم خواهم زد و نوسانات سیستم در حالت گذرای خود (حالت اولیه) و دائم را تغییر خواهد داد .

در این پروژه پایان نامه مهندسی برق قدرت با مدلسازی هر یک از منابع در حوزه فرکانس کوچک و بدست آوردن معادلات حالت آنها نسبت به یافتن مقادیر ویژه ریزشبکه اقدام شد و در حالات مختلف مقایسات خروجی از طریق محاسبات عددی و شبیه سازی ها بعمل آمده است .

ردیابی ماکزیمم توان در سلول های خورشیدی

سلول های خورشیدی از جمله منابع تولید پراکنده تجدید پذیر می باشند که در ریزشبکه ها و در شبکه های توزیع به صورت متداول مورد استفاده قرار می گیرند . 

سلول های خورشیدی در شرایط مختلفی از ویژگی های روز بایستی بتوانند توان مورد نیاز بار را تامین کنند بصورتیکه در یک ولتاژ لینک DC ثابت بتوانند پروفیل جریان شبکه بار را ارضا دهند . به همین منظور نیاز است تا این منبع تولید پراکنده بصورت موازی با یک منبع ذخیره ساز انرژی قرار بگیرد .

از سوی دیگر یکی از مسائل اساسی در کلیدزنی اینورتری سلول های خورشیدی به منظور تامین توان DC مشخصه غیرخطی آن می باشد که به مفهوم تغییر غیرخطی نمودار ولتاژ - توان می باشد ، بنابراین نیاز است تا کلیدزنی در نقطه ای انجام شود که بیشترین توان جذب شود که به این مسئله ردیابی ماکزیمم توان گفته می شود .

شکل بالا این مسئله را برای یک نمونه از تابش نشان می دهد . روش های مختلفی به منظور یافتن این نقطه معرفی شده است ، روش های آشوب و مشاهده که برمبنای ایجاد تغییرات تصادفی در ولتاژ و مشاهده خروجی می باشند تا روش های پیشرفته تطبیقی از این دست می باشند .

آنچه این مسئله را قدری پیچیده تر می کند ، وابسته بودن این نمودار به میزان تابش می باشد چرا که ضابطه تغییرات برای تابش های مختلف متفاوت خواهد بود . 

شکل بالا این مسئله را برای تابش های مختلف و به همراه ضابطه بار نشان می دهد . 

آنچه از شکل بالا مشخص است سیستم کلیدزنی اینورتری باید بتواند تقاط توان بالای پروفیل بار را در هر لحظه هدف بگیرد تا توان بار تامین شود ، اما مازاد توان را می توان در باتری ذخیره کرد . در این حالت یک منحنی برای نقاط ماکزیمم در تابش های مختلف بدست می آید .

بررسی نوسانات در شبکه های توان ، کیفیت توان و فلیکر شبکه

در شبکه های قدرت معمولا توان به صورت جریان متناوب (AC) و در محدوده مشخصی از ولتاژ و فرکانس تولید می گردد. بنابراین اکثر تجهیزات الکتریکی مشترکین به نحوی طراحی شده اند که در محدوده های مشخصی از ولتاژ و فرکانس کار کنند. در واقع کوچکترین انحراف از این محدوده ها سبب اختلال در عملکرد این تجهیزات می گردد.

برای بررسی کیفیت توان در سیستم های قدرت باید آن را از لحاظ چهار مشخصه زیر بررسی کرد:

• دامنه ولتاژ
• دامنه فرکانس
• شکل موج ولتاژ
• تعادل بین فازها در سیستم سه فاز

برق تولیدی توسط نیروگاه ها از لحاظ کیفیت توان، برق مطلوب است یعنی چهره مشخصه اصلی فوق الذکر در آن رعایت شده است ولی بعلت استاده از مصرف کننده های غیراستاندارد در شبکه ی برق، باعث از بین رفتن کیفیت توان برق شبکه می شود. و در چهار مشخصه ی اصلی فوق الذکر تغییر ایجاد می کنند و با این تغییرات ایجاد شده تلفات توان دز سیستم افزایش پیدا می کند و همچنین باعث صدمه دیدن و یا کارکرد نامطلوب وسایل حساس می شود و بنابراین برای جلوگیری از این صدمات باید از اتصال وسایل غیر استاندارد به شبکه جلوگیری کرد.

الف) هر مصرف کننده ی دارای یک دامنه ولتاژ خاصی است و با کم و یا زیادشدن ولتاژ از این مقدار باعث صدمه دیدن و یا کارکرد نامطلوب دستگاه می شود در بسیاری از موارد علت سوختن تجهیزات عدم تعادل در دامنه ی ولتاژ می باشد.

ب) شکل موج استاندارد ولتاژ در حالت نرمال به صورت شکل موج سینوسی است و در اثر استفاده از مصرف کننده های غیر استاندارد بر روی شکل موج تاثیر منفی می گذارند و شکل موج را از حالت سیسنوسی خارج می کنند.

مسائل بیان شده از عواملی هستند که باعث ایجاد نوسان در شبکه توان می باشند که در ادامه منجر به فلیکر ولتاژ و آسیب در حوزه کیفیت توان می شود . 

 

شکل موج بالا نمودار ولتاژ در یکی از فازهای خطوط انتقال با مشکل کیفیت توان را نمایش می دهد ، کیفیت توان از مسائل مهم در حوزه توزیع و انتقال می باشد ، مسائل ناشی از نوسانات کیفیت توان در شبکه قدرت باعث کاهش ضریب توان شده و نیاز به استفاده از جبران ساز های کیفیت توان مانند ادوات FACTS را در شبکه ایجاد می کند .

شرحی بر خدمات در زمینه مهندسی برق قدرت

پروژه ها و پایان نامه های مهندسی برق قدرت عمدتا در بندهای زیر خلاصه می گردند :

1-  مبحث ادوات FACTS : تعریف و عملکرد هر یک از ادوات FACTS سری و موازی ، جایابی بهینه و براساس توابع هزینه چندهدفه در سیستم های توزیع و انتقال ، طراحی کنترلر های ترکیبی و هوشمند برای کلیدزنی ادوات FACTS ، بررسی پایداری در حضور این ادوات ، تجزیه مدال و مدلسازی فضای حالت برای ادوات FACTS ، امکان ایجاد هماهنگی و کاربرد آنها در حضور سیستم هایی همچون پایدارسازها

2-  بازار برق : مسائل بهره برداری از شبکه های قدرت ، قیمت گذاری و برنامه ریزی نیروگاه ها ، تخصیص واحد و ایجاد سیکل های ترکیبی تولید توان ، مباحثی همچون خازن گذاری و جایابی AVR و ... در شبکه های توان در مقابل کاهش هزینه ها و حصول پایداری شبکه

3-  ریزشبکه ها : پایداری ولتاژ – فرکانس در ریزشبکه ها ، جزیره سازی تعمدی ، بررسی خطا در ریزشبکه ها ، شناسایی مسائلی همچون حذف بار و وقوع خطا در ریزشبکه ها ، ترکیب منابع تولید در ریزشبکه ها ، کنترل مقاوم ریزشبکه ها ، ایجاد شبکه های توان هیبریدی در ریزشبکه ها ، مدلسازی ریزشبکه ها

4-  منابع تولید پراکنده : تعریف منابع تولید پراکنده ، جایابی بهینه منابع تولید پراکنده با کاریرد الگوریتم های هوشمند ، ایجاد هماهنگی بین شبکه و تولید پراکنده

5-  پایداری سیستم های قدرت : طراحی پایدارساز PSS از روش های خطی و غیرخطی ، ترکیب پایدارساز با DVR و AVR در شبکه های قدرت ، بررسی روش های تطبیقی و رویت گرها در پایدارساز ها

6-  ماشین و درایو : کنترل ماشین های القائی و ... ، تنظیم و بهبود رفتار سیستم درایو ماشین ها ، کنترل برداری ، تخمین پارامترهای سیستم درایو ماشین های سنکرون ، عیب یابی در ماشین ها با روش های برداری و هوشمند (عصبی - فازی) ، کنترل DTC با روش های مبتنی بر فازی

7-  طراحی انواع فیلترهای اکتیو و پسیو در سیستم های قدرت ، کاربرد منابع تولید تجدیدپذیر در طراحی فیلتر ، بررسی روش های مختلف کلیدزنی در سیستم های تجدیدپذیر به منظور اخذ توان

8-  انرژی های نو : سلول های خورشیدی ، روش های MPPT در مبدل سلول های خورشیدی (روش های تطبیقی ، P&O) ، بررسی مبدل های باک و بوست ، مدلسازی آشوبناک مبدل ها ، بررسی مدل غیرخطی مبدل ها ، توربین های بادی ، انواع توربین های بادی با استفاده از DFIG یا ژنراتور های دوگانه ، کنترل زاویه در توربین ، MPPT در توربین ، بررسی پایداری توربین در شبکه ، بررسی و طراحی مبدل های DC به DC ، DC به AC ، طراحی سیستم های هیبریدی تولید توان شامل سلول خورشیدی ، باتری ، پیل سوختی ، توربین بادی و الکترولایزر ، کنترل پیل سوختی ، انواع پیل سوختی های SOFC و PMFC ، مدلسازی پیل سوختی ، بهینه سازی پیل سوختی با انواع روش ها ، کنترل فازی شبکه های هیبریدی ، مدلسازی عددی شبکه های هیبریدی

9-  خودرو هیبریدی : بررسی منابع مختلف مورد استفاده در خودروهای هیبریدی ، طریقه ترکیب شبکه های هیبریدی در تغذیه خودرو ، طریقه کنترل باتری در خودرو ، پایداری خودروی هیبریدی ، مدلسازی تابع تبدیلی برای خودروی هیبریدی

10-  قابلیت اطمینان : بررسی قابلیت اطمینان در شبکه های توان با روش های گراف بندی ، با روش کات ست بندی ، تحلیل قابلیت اطمینان در شبکه های گسترده ، مدلسازی قابلیت اطمینان شبکه های قدرت ، بدست آوردن شاخص های قابلیت اطمینان در شبکه های قدرت ، قابلیت اطمینان در ریزشبکه ها ، بدست آوردن مدل قابلیت اطمینان ریزشبکه ها ، بررسی قابلیت اطمینان در شبکه های هیبریدی تولید توان ، بررسی قابلیت اطمینان در حضور منابع ذخیره ساز انرژی (باتری ها)

ریزشبکه ها (میکروگریدها) به عنوان منابع تولید انرژی پراکنده محلی

ایستگاه های تولید توان متداول نظیر نیروگاه های برق زغال سنگ ، حرارتی ، گاز طبیعی ، سیستم های هیدروالکتریک و ایستگاه های خورشیدی عظیم به عنوان منابع تولید متمرکز شناخته می شوند که نیاز به انتقال در سراسر شبکه توان دارند و در مقابل منابع انرژی تولید پراکنده به صورت ماژولار ، ارزان ، با تکنولوژی انعطاف پذیر می باشند که در کنار بارهای محلی و در نقاط دور از منابع اصلی قرار داده می شوند ، می باشند .

منابع تولید پراکنده به صورت معمول دارای خروجی توان کمتر از 10 مگاوات می باشند و از انرژی های نو و قابل بازیابی برای تولید توان بهره می برند ، این سیستم ها عبارتند از : سیستم های هیدرو کوچک ، سیستم توربین بادی ، سیستم سلول های خورشیدی ، بهره گیری از گرمای زمین می باشند که نقش ویژه ای در تامین توان پراکنده دارند ، سیستم هایی که به شبکه متصل شده و نقش ذخیره توان را دارند نیز از دسته سیستم های تولید پراکنده می باشند ، در نگاه جدید سیستم های تولید پراکنده هیبریدی که همراه با منابع ذخیره ساز انرژی قرار می گیرند تحت عنوان شبکه های اسمارت (smart grids) می باشند .

ریزشبکه ها از جمله انرژی های نو می باشند ، این شبکه ها به صورت محلی می باشند و می توانند از شبکه اصلی جدا شده و به صورت خودکار به فعالیت خود ادامه دهند ، در این سیستم ها معمولا از دیزل ژنراتور به عنوان کنترلر اصلی استفاده می شود . 

اغلب میکروگرید ها از منابع تولید همچون توربین بادی ، سیستم های خورشیدی ، ابرخازن ، منابع ذخیره ساز انرژی ، سیستم کوانرژی نظیر پیل سوختی و .... استفاده می کنند ، در میکروگرید ها کار کنترل بوسیله سیستم تولید توان دیزل که در کنترل مشترک با سیستم ذخیره ساز و مبدل تولید توان نظیر پیل سوختی می باشد به دست می آید و در آن فرکانس و ولتاژ کنترل می شوند .

به عنوان کنترل کیفیت توان در این شبکه ها می توان از فیلتر های اکتیو و سیستم های ادوات FACTS استفاده کرد .

مسئله مهم دیگر قابلیت اطمینان ریزشبکه ها می باشد که بایستی با در نظر گرفتن عوامل مهمی همچون سایزبندی منابع ذخیره ساز انرژی و مدیریت توان مناسب به آن دست یافت .

ردیابی ماکزیمم توان برای سلول خورشیدی (MPPT) با استفاده از تکنیک سنکرون سازی خطای دینامیکی

سلول خورشیدی به عنوان یک منبع تولید پراکنده مطرح می باشد که توان خروجی آن وابسته به میزان تابش ورودی و دمای محیط می باشد و بر این حسب یک رابطه غیرخطی در آن تعریف می شود . لازمه افزایش راندمان سلول خورشیدی یافتن نقطه ماکزیمم جریان گیری از پنل فتوولتائیک می باشد .

مسئله توان خروجی برای یک سلول خورشیدی علی الخصوص در هنگام نصب آن به یک ریزشبکه اهمیت می یابد چرا که به منظور افزایش قابلیت اطمینان ریزشبکه مورد نظر ، توان خروجی سلول خورشیدی مهم می باشد .

 

شماتیک یک ریزشبکه نمونه

در این پروژه به منظور انجام مسئله MPPT از سنکرون سازی خطای دینامیکی با استفاده از کلیدزنی مبدل استفاده شده است ، به گونه ای که پس از بیان مدل غیرخطی جریان خروجی فتوولتائیک برحسب ولتاژ آن از این واقعیت که توان ماکزیمم در لحظه نسبت به ولتاژ سلول و جریان سلول تغییر نمی کند ، معادلات مرتبه کسری را بیان می کنیم و از این معادله ، رابطه بین تغییرات ولتاژ و جریان برای دست یابی به هدف (ماکزیمم توان) استخراج می شود که از این رابطه در کلیدزنی مبدل DC/DC استفاده می شود . در شماتیک زیر بلوک بندی مراحل لازم برای انجام MPPT نشان داده شده است .

 

 شماتیک کنترلی برای تعیین دوره کار

استخراج دمای سلول و تخمین ولتاژ با توجه به کاهش خطای دینامیکی مطرح شده در بخش قبل مبنای اصلی کار می باشد که پس از تخمین ولتاژ و دریافت ولتاژ خروجی مبدل در کنترلر مبدل سیگنال کنترلی لازم تولید می شود که از آن برای تعیین دوره کار برای مبدل DC/DC استفاده می شود ، البته وجود بار AC در خروجی ما را بر آن می دارد تا از یک اینورتر DC/AC در خروجی مبدل استفاده کنیم .

سیستم های ریزشبکه در حضور کنترلرهای مقاوم

در حالت کلی ریزشبکه (میکروگرید) یک سیستم مجتمع هیبریدی با خط DC و AC می باشد که در چندین باس دارای منابع تولید از نوع تجدیدپذیر و همچنین انواع بارهای خطی ، غیرخطی و دینامیکی می باشد که ممکن است در طول زمان تغییر کنند .

شکل زیر شماتیک کلی از یک ریزشبکه را نشان می دهد :

در این شکل منابع مختلف با استفاده از توان متناظر آن ها نشان داده شده اند و در مورد نوع این منابع DG در ادامه صحبت شده است .

آنچه در این بیان مهم است نحوه تحریک کنترلر در سیستم همه منظوره است ، بحث ریزشبکه در ارتباط نزدیک با تشخیص مناسب و هر چه سریعتر جزیره ای شدن است که از آن به عنوان شناسایی حالت جزیره ای عنوان می شود . 

منابع DG در این شبکه از نوع تولید توان DC و سپس استفاده از اینورتر منبع ولتاژ جهت تبدیل توان به نوع AC می باشد . به این منظور شکل زیر را در نظر می گیریم .

البته می توان به جای کنترلر منبع ولتاژ (VSC) و به منظور کاهش هارمونیک ها و افزایش کنترل پذیری سیستم از کنترلر منبع جریان نیز استفاده کرد .

با این فرض و اینکه مقادیر فیلتر خروجی دارای پارامترهای مشخصی می باشند می توان مدلسازی را بر روی DG مورد نظر انجام داد . اما آنچه که مشخص است عدم قطعیت در مقادیر مقاومت ، راکتانس و سوسپتانس خروجی می باشد که بایستی در مدلسازی و طراحی کنترلر آن را در نظر داشت .

در طراحی سیستم کنترل استفاده از روش های مقاومی همچون مد لغزشی و کارهای مقاوم همچون H اینفینیتی و H2 می تواند در تحلیل این چنین مسائلی راه گشا باشد .

طراحی کنترل کننده با رویکرد مقاوم برای ریزشبکه

سیستم های قدرت نظیر ریزشبکه ها ، درایوها ، پایدارساز های سیستم قدرت و مبدل ها همواره در ساختار خود با عدم قطعیت مواجه هستند و طراحی کنترل کننده هایی نظیر PID و یا فازی می توانند بصورت محلی پایداری این سیستم ها را تضمین نمایند . به عنوان نمونه یک ریزشبکه بر روی مبدل منابعی نظیر باتری می تواند نامعین در نظر گرفته شود و سیستم کنترل مورد نظر باید بتواند این محدوده نامعینی را پوشش دهد . 

در شکل بالا یک ریزشبکه نوعی که در می تواند در حالت اتصال به شبکه و یا جزیره ای قرار داشته باشد نمایش داده شده است . در این طراحی می توان مقاومت دیده شده از سمت مبدل و همچنین مقاومت شبکه و مقادیر فیلتر شکل دهی مبدل DC به DC خروجی را نامعین و همراه با عدم قطعیت در نظر گرفت ، از دیگر سو این مقادیر همواره تحت تاثیر منابع شبکه و مقاومت دیده شده از این منابع به خودی خود دارای نامعینی می باشند . به این منظور می توان از ساختارهای مقاوم در این گونه مدل ها بهره برد .