کنترل یک ریزشبکۀ دارای منابع متعدد با توانائی تشخیص درونی جزیره‌ای شدن و محدودسازی جریان

چکیده

عبارات کلیدی

I.    مقدمه

II.    توصیف سیستم

III.    توصیف کنترلر

راهبرد کنترل ولتاژ 

(VCS) 

کنترل ولتاژ/ توان راکتیو

A.    راهبرد کنترل جریان (CCS)

IV.    ارزیابی عملکرد 

V.    پیاده‌سازی سخت‌افزاری و نتایج

A.    حالت متصل به شبکه

B.    گذر به حالت جزیره‌

C.    عملکرد حالت جزیره‌ای

VI.    نتایج شبیه‌سازی

A.    پاسخ پله کنترلر

B.    گذراهای خطا

C.    محدودسازی اضافه‌جریان

D.    تنظیمات تشخیص جزیره‌شدن و نتایج

VII.    نتیجه‌گیری

شکل1. دیاگرام مداری سیستم تست

شکل2. بلوک دیاگرام کنترلر توان راکتیو/.ولتاژ VCS

شکل3. بلوک دیاگرام کنترلر توان حقیقی/.فرکانس VCS

شکل4. نتایج شبیه‌سازی برای بدترین سناریوی خطا

شکل5. تغییر پیک جریان بدترین حالت خطا با پارامترهای سیستم

شکل6. بلوک دیاگرام کنترلر توان راکتیو/ولتاژ CCS

شکل7. بلوک دیاگرام کنترلر توان حقیقی/فرکانس CCS

شکل8. پاسخ پله توان حقیقی

روشی برای کنترل یک محیط ریزشبکه‌ای با منابع انرژی پراکنده و رابط مبدل منبع ولتاژ که دارای چند منبع انرژی است، تحلیل شده و به تایید می‌رسد. این روش کنترلی به گونه‌ای طراحی شده است که در هر دو حالت عملکرد متصل به شبکه و جزیره‌ای کار کرده و بین این دو حالت یک گذرای صاف و نرمی را فراهم می‌کند. دیگر ویژگی‌های این روش کنترلی شامل تشخیص جزیره‌ای شدن با پسخورد مثبت و محدودسازی دینامیکی اضافه‌جریان نیز بررسی می‌شود. تصدیق این ویژگی‌های بیان شده از طریق نتایج حاصل از یک سیستم نمونه کوچک که دارای نتایجی از شبیه‌سازی حوزه زمان ریزشبکه ولتاژ متوسط است، بدست می‌آید.

وقتی عمق نفوذ منابع انرژی پراکنده (DER) افزایش می‌یابد تا افزایش تقاضای برق را در عین کاهش اثرات زیست‌محیطی فراهم کند [1]، ریزشبکه‌ها بسیار مرسوم خواهند بود [2]. منابعی که بخشی از ریزشبکه را تشکیل می‌دهند دارای نیازمندی‌های خاصی هستند: هر منبع انرژی پراکنده (DER)، حال اینکه یک منبع تولید پراکنده (DG) باشد یا یک واحد ذخیره پراکنده (DS)، باید قادر باشد تا بدون ایجاد اثرات چشم‌گیر روی ریزشبکه، به این مجموعه افزوده شده و یا از آن خارج شود. همچنین ریزشبکه باید بتواند در هر دو شرایط از پیش برنامه‌ریزی شده و یا اضطراری، بین حالات متصل به شبکه (GC) و جزیره‌ای (IS) گذرای آرام و صافی را تجربه کند [2]-[4]. در بیشتر موارد، یک واحد منبع انرژی پراکنده از طریق یک مبدل منبع ولتاژ (که در این مقاله به طور مختصر آن را مبدل خواهیم گفت) با ریزشبکه میزبان در ارتباط است، تا به این طریق کنترل موثری بتوان روی مبدل واسط اعمال کرده و نیازمندی‌های عملکردی ریزشبکه را فراهم ساخت [5]. این مقاله بیشتر به راهبرد کنترل مبدل معرفی شده در مرجع [6] می‌پردازد؛ یک کنترلر مبتنی بر تغییر فاز و دامنه که دارای ویژگی‌های لازم برای عملکرد در یک محیط ریزشبکه‌ای را دارا می‌باشد (مثل تشخیص جزیره‌ای شدن، حفاظت اضافه‌جریان، و کنترل دروپ). در کل این مقاله از این راهبرد کنترلی تحت عنوان راهبرد کنترل‌شده با ولتاژ (VCS) (راهبرد کنترل ولتاژ) یاد خواهیم کرد. این مقاله به کمک موارد ذیل، مقاصد بیشتری را نسبت به مرجع [6] دنبال می‌کند: • اثبات کاربرد آن با منابع چندگانه؛ • مقایسه و تست توانمندی آن با منابعی که از دیگر روش‌های کنترلی بهره می‌برند؛ • توصیف یا ویژگی‌بخشی توانمندی‌های محدودسازی اضافه‌جریان؛ • بحث روی رویه‌های تنظیم عمل تشخیص جزیره‌ای شدن؛ • تایید عملکرد به کمک پیاده‌سازی آزمایشگاهی (عملی). یک روش معمول برای کنترل مبدل مبتنی بر تنظیم مولفه‌های جریان مستقیم و عمود (da) است [7] (یعنی مبدل به صورت یک منبع ولتاژ کنترل‌شده با جریان عمل می‌کند). در این مقاله از این راهبرد تحت عنوان راهبرد کنترل‌جریان (CCS) یاد خواهد شد. لازم و مطلوب نیست که همه واحدهای تولید انرژی پراکنده در ریزشبکه از VCS (راهبرد کنترل ولتاژ) بهره گیرند، لذا پیکربندی‌هایی مورد بررسی قرار می‌گیرند که در آن همه واحدها از VCS برخوردارند؛ واحدهای مبتنی بر VCS چندگانه و CCS چندگانه در کنار هم هستند؛ یا یک تک‌واحد از VCS استفاده کرده و بقیه واحدها از CCS بهره می‌برند. روش CCS وقتی به خوبی کار می‌کند که ریزشبکه در حالت متصل به شبکه باشد، طوری که شبکه اصلی (grid) ولتاژ و فرکانس را در نقطه باس کوپل مشترک (PCC) پشتیبانی می‌ند؛ با این حال، وقتی ریزشبکه از شبکه بهره‌برداری (utility) جدا می‌شود (جزیره‌ای می شود)، مبدل نمی‌تواند ولتاژ و فرکانس را در نقطه PCC حفظ کند [7]. در ریزشبکه‌ای با منابع چندگانه، چنانچه اطمینان حاصل شود منبعی موجود است که از VCS (master) بهره می‌برد، آنگاه این رفتار را می‌توان اصلاح کرد. این حالت را معمولا طرح کنترلی مستر- اسلیو (master-slave) می‌نامند که در قبلا در مراجع [8]-[10] بحث شده است. این مقاله همین مفهوم را با استفاده از طرح کنترل VCS مرجع [6] مورد بررسی قرار می‌دهد. وقتی واحدVCS موجود باشد، پس از اینکه حالت جزیره‌ای شدن اتفاق افتاد، فرکانس و ولتاژ توسط مبنع مبتنی بر VCS پشتیبانی می شوند، در حالی که واحدهای CCS به تبادل توان حقیقی و راکتیو با ریزشبکه ادامه می‌دهند. نتیجه آن می‌شود که برای منابعی که از CCS استفاده می‌کنند الزامی در تشحیص حالت جزیره‌ای شدن وجود ندارد. این ویژگی وقتی مهم است که واحدهای CCS بدون قصد هماهنگی با دیگر منابع ریزشبکه طراحی شده باشند، مثل مجموعه بزرگی از اینورترهای واسط منابع فوتوولتائیک. حفاظت اضافه‌جریان با اعمال محدودیت‌های استاتیکی یا دینامیکی به دامنه ولتاژ خروجی دستور داده شده، حاصل می شود. تشخیص جزیره‌ای شدن نیز از طریق بی‌ثباتی اجباری ریزشبکه پس از جزیره شدن قابل حصول است؛ با بهره‌گیری از این واقعیت که منابع به طور برجسته ولتاژ باس PCC را در حالت جزیره شدگی تعیین می‌کنند [11]. این بی‌ثباتی روی ولتاژ ترمینال مبدل تاثیر گذاشته و لذا می‌تواند به طور محلی تشخیص داده شود. تست سخت‌افزار از طریق دو منبع واسط اینورتری انجام می‌شود تا مشخصات کنترلر به تایید برسد. نظارت بیشتر بر عملکرد و رفتار VCS ارائه شده، از طریق شبیه‌سازی حوزه زمان مدل مقیاس‌وسیع با پنج منبع واسط اینورتری صورت می‌گیرد.