تنظیمات بهینه‌ی پارامتر دروپ ریزشبکه‌های جزیره‌شده با منابع انرژی تجدیدپذیر

فهرست نمادها

1.    مقدمه

2.    ساختار IMG و مدل‌سازی حالت ماندگار

شکل1. ساختار یک شبکه‌ی توزیع با در نظر گرفتن ریزشبکه‌ها. 

3.    مدل احتمالاتی IMG

4.    تنظیمات بهینه‌ی پارامتر دروپ ارائه شده

شکل2. فلوچارت الگوریتم ارائه شده. 

الف. مرحله‌1: ارزیابی کفایت تامین

ب. مرحله 2: روش سلسله‌مراتبی مقید

شکل3. تشریح مفهومی نظریه‌ی سلسله‌مراتب مقید. 

شکل4. سیستم تست توزیع 33 باس [32]. 

5.    مطالعات موردی

جدول1:مکان‌ها، مقادیر نامی و مودهای کنترلی DGها در سیستم تست 33 باس. 

الف. مطالعه‌ی موردی 1: تنظیمات مرسوم دروپ

شکل5. مطالعه‌ی موردی 1: (الف) دامنه‌های حداقل و (ب) حداکثر ولتاژ برای همه‌ی باس‌ها در مقادیر مختلف V* با استفاده از تنظیمات مرسوم دروپ با در نظر گرفتن همه‌ی وضعیت‌های مجاز سیستم و همه‌ی IMGهای مجاز. (در این مطالعه‌ی مرودی، همه‌ی واحدهای DG کنترل‌شده‌ی دروپ در تنظیمات یکسان V* کار می‌کنند). 

ب. مطالعه‌ی موردی 2: تنظیمات بهینه‌ی دروپ ارائه شده

شکل6. حداقل و حداکثر دامنه‌های ولتاژ با تنظیمات بدست آمده در اولین سناریوی مطالعه‌ی موردی 2. 

جدول2:تنظیمات بهینه‌ی دروپ بدست آمده در مطالعه‌ی موردی 2

شکل7. حداقل و حداکثر دامنه‌های ولتاژ با تنظیمات بدست آمده در (الف) دومین و (ب) سومین سناریوی مطالعه‌ی موردی 2. 

شکل8. PDFهای فرکانس سیستم با تنظیمات بدست آمده در دومین و سومین سناریوهای مطالعه‌ی موردی 2. 

شکل9. حداکثر بارگذاری با تنظیمات بدست آمده در سناریوهای 2 و 3 در نسبت‌های مختلف توان بادی: (الف) IMG#1، سناریوی 2؛ (ب) IMG#2، سناریوی 2؛ (ج) IMG#1، سناریوی 3؛ و (د) IMG#2، سناریوی 3. 

شکل10. تولید واحداهی DG وقتی با تنظیمات بدست آمده در سناریوی 2 برای IMG#1 افزایش می‌یابد: (الف) توان اکتیو، (ب) توان راکتیو، و (ج) توان ظاهری. 

شکل11. تولید واحداهی DG وقتی با تنظیمات بدست آمده در سناریوی 3 برای IMG#1 افزایش می‌یابد: (الف) توان اکتیو، (ب) توان راکتیو، و (ج) توان ظاهری. 

6.    نتیجه‌گیری‌

شکل12. ولتاژ در باس 33 به عنوان تابعی از با تنظیمات بدست آمده در سناریوی 2 برای IMG#1. 

کنترل دروپ یک راهبردی کلیدی برای سیستم‌های جزیره‌شده‌ی تولید پراکنده (DG)، یعنی ریزشبکه‌های جزیره‌شده (IMG)، است. تنظیمات پارامتر دروپ واحدهای DG می‌توانند به طور چشم‌گیری روی توانایی یک IMG در تامین تقاضای آن موثر باشند. این مقاله یک الگوریتم احتمالاتی جدید برای تعیین گزینه‌ی بهینه‌ برای چنین تنظیمات دروپی برای واحدهای DG منفرد موجود در یک شبکه‌ی توزیع در مواقعی فراهم می‌کند که یک کنترلر مرکزی ریزشبکه در اختیار نباشد. الگوریتم ارائه شده یک روش سلسله‌مراتبی مقید اتخاذ می‌کند تا عملکرد IMG ها با ارضای قیود عملکردی سیستم و افزایش حاشیه‌ی بارگذاری آن ارتقاء یابد. این الگوریتم جدید تنوع پیکربندی‌های ممکن IMG را که می‌توانند در یک شبکه‌ی توزیع (چندین ریزشبکه) رخ دهند، عدم قطعیت و تغییرپذیری مربوط به توان خروجی واحدهای DG تجدیدپذیر و نیز تغییرپذیری بار، و ویژگی‌های خاص و فلسفه‌ی عملکردی مربوط به سیستم‌های IMG کنترل‌شده به صورت دروپ را در نظر می‌گیرد. مطالعات شبیه‌سازی نشان می‌دهد که الگوریتم ارائه شده می‌تواند پیاده‌سازی موفقیت‌آمیز مفهوم IMG را از طریق کاهش قطعی‌های مشتری و ارتقاء حاشیه‌های بارگذاری IMGها، تسهیل کند.

به دلیل نیاز مبرم به توسعه‌ی شبکه‌های قدرت تمیز و کارآمد، قابل اطمینان، منعطف و پاسخگو، بخش انرژی در حال حاضر به سمت ریزشبکه‌های هوشمند در حال حرکت است [1]. ستون اصلی چیدمان شبکه‌ی هوشمند تکامل از یک شبکه‌ی توان الکتریکی یکپارچه‌ی عمودی به سمت یک شبکه‌ی غیرمتمرکز است که تعاملات میان مشتریان، بهره‌برداران شبکه و تولیدکنندگان توان را میسر می‌کند. در پاسخ به انگیزه‌های شبکه‌ی هوشمند، سیستم‌های توزیع به یک وضعیت گذرای عمده تن در داده‌اند تا سیستم‌های توزیع را با نفوذ بالای منابع پراکنده و انرژی تجدیدپذیر فعال کنند [2]. سیستم‌های توزیع فعال را می‌توان بر اساس ساختار ریزشبکه‌ که به عنوان بخش سازنده‌ی سیستم‌های توزیع فعال آینده تلقی می‌شوند، به یک مجموعه‌ی جدیدی از لایه‌های مدیریتی تقسیم‌بندی کرد [3]، [4]. یک پیکربندی مرسوم ریزشبکه شامل دسته‌ای از بارها و واحدهای تولید پراکنده (DG) است که به یک شبکه‌ی توزیع متصل شده‌اند [5]-[7]. ریزشبکه‌ها مزایای زیادی را برای بهره‌برداران و مشتریان فراهم کرده‌اند، که مهم‌ترین آنها عبارت‌ است از افزایش قابلیت اطمینان مشتریان ریزشبکه. در طی توزیع‌های بالادستی، ریزشبکه‌ها را می‌توان به منظور حفظ پیوستگی خدمات توان الکتریکی از شبکه‌ی اصلی ایزوله و جدا کرد. عمده‌ی واحدهای DG ریزشبکه‌ها از طریق یک مبدل منبع ولتاژ کوپل شده با یک فیلتر خروجی غیرفعال (پسیو) به شبکه‌ی اصلی مرتبط می‌شوند [8]، [9]. در یک مود عملکردی ریزشبکه‌ی جزیره‌شده (IMG)، این واحدهای DG مسئول حفظ ولتاژ و فرکانس سیستم بوده و در عین حال تقاضای بار را تقسیم می‌کنند. نوشته‌های فنی شامل توصیف دو طرح عملکردی ارائه شده برای کنترل چنین واحدهای DG هستند که IMGها کار می‌کنند: طرح‌های متمرکز و کنترل دروپ [9]، [10]. بسته به در اختیار بودن پل‌های مخابراتی با پهنای باند بالا، یک طرح کنترل متمرکز معمولا دارای این ویژگی‌ها است 1) غیرعملیاتی و پرهزینه به دلیل نیاز آن به توزیع سیگنال‌های تقسیم‌کنده‌ی پویای پهنای باند بالا میان واحدهای DG که IMG را شکل می‌دهند و 2) غیرقابل اعتماد به دلیل نقطه‌ی منفرد شکست مربوط به استفاده از یک روش کنترل متمرکز. این محدودیت‌ها را می‌توان از طریق طرح کنترل دروپ غیرمتمرکز حل کرد که به سیگنال‌های اندازه‌گیری شده‌ به صورت محلی وابسته بوده و نیازی به پل‌های مخابراتی با پهنای باند بالا برای دستیابی به تقسیم مناسب تقاضای بار ندارند و در عین حال ولتاژ و فرکانس IMG را کنترل می‌کند. در IMGها، واحدهای DG کنترل‌شده‌ی دروپ به‌گونه‌ای کنترل می‌شوند که مشخصات دروپ ژنراتورهای سنکرونی که به صورت موازی کار می‌کنند را تقلید کنند. لذا تنظیمات مشخصات دروپ برای واحدهای منفرد DG روی تولید حالت ماندگار توان اکتیو و راکتیو آن‌ها تاثیرگذار است. به طور معمول، مشخصات دروپ طوری طراحی می‌شوند که واحدهای DG شکل‌دهنده‌ی IMG تقاضای بار با متناسب با ظرفیت نامی آن‌ها تقسیم کنند [11]. به طور کلی، چنین تنظیمات مرسوم دروپ قادر به تامین تقسیم تقریبا دقیق توان اکتیو میان واحدهای DG موجود در IMGها می‌شوند. با این حال، این تنظیمات شاید نتوانند دیگر الزامات عملکردی سیستم را ارضا کنند، جائی که تقسیم توان راکتیو میان واحدهای DG غیردقیق و وابسته به پارامترهای سیستم است؛ یعنی، عدم تطابق در امپدانس‌های خط توان می‌توند منجر به سطوح بالای توان راکتیو گردشی شود. همچنین، تنظیمات مرسوم دروپ می‌تواند تنظیم ولتاژ در نقاط تزویج مشترک (PCC) واحدهای DG را تضمین کند؛ با وجود این، به دلیل افت ولتاژهای طول فیدر یک تخطی ولتاژ شاید در برخی نقاط بار رخ دهد، و کار قبلی [12] نشان داده است که قیود ولتاژ و توان راکتیو نقشی چشمگیر روی عملکرد موفقیت‌‌آمیز IMGها دارند. عامل آخر این است که تنظیمات مرسوم دروپ نمی‌توانند حداکثر بارگذاری سیستم را که یک ملاحظه‌ی کلیدی در IMGها است را شامل شوند چون سیستم از گروهی از واحدهای کوچک DG با ظرفیت‌های محدود تغذیه می‌شود. در نوشته‌های فنی، محققان زیادی روش‌هایی را برای انتخاب بهینه‌ی تنظیمات پارامتر دروپ واحدهای DG ارائه داده‌اند تا عملکرد IMG کنترل‌شده‌ی دروپ را ارتقاء دهند [13]-[18]. با وجود این، این روش‌ها پیش‌فرضشان وجود یک کنترلر مرکزی ریزشبکه (MGCC) و یک زیرساخت مخابراتی با پهنای باند کم برای تکمیل طرح کنترل دروپ است. در این الگو، بهینه‌سازی عملکرد IMG به طور مرکزی و با تابع مدیریت هماهنگ شده‌ی سطح بالاتر در MGCC صورت می‌گیرد. با استفاده از اندازه‌گیری‌های دوره‌ای تولید IMG و بارها، MGCC تنظیمات دروپ واحد DG (مشخصات را) به‌روز‌رسانی می‌کند تا به طور بهینه واحدهای DG مختلف موجود در IMG را تخصیص دهد. با همه‌ی این‌ها، عملکرد IMGها بدون یک MGCC هنوز یک راهکار ممکن در بسیاری از سناریوها است [12]، بحرانی‌ترین آن‌ها وقتی رخ می‌دهد که ریزشبکه قصد دارد تنها در شرایط اضطراری و در طی حوادث غیرعمدی در شبکه‌ی بالادست عمل کند؛ یعنی، حوادثی که شاید آغازگر حالت گذرا برای مود عملکرد جزیره‌ای باشند غیرقابل‌ برنامه‌ریزی هستند [3]. فاصله‌های زمانی کوتاه‌مدت موردانتظار چنین عملکرد IMG شاید انگیزه‌ای برای نصب MGCC و زیرساختار مخابراتی مربوطه‌ی آن نباشد. در این سناریوها، به‌روزرسانی غیردوره‌ای تنظمیات دروپ واحد DG رخ خواهد داد، و بنابراین آن‌ها باید از پیش به صورت خارج از خط برای یک افق برنامه‌ریزی عملکردی ممکن طراحی شوند که در آن IMGها ممکن است آغاز شوند. طراحی چنین تنظیمات دروپ باید ویژگی‌های ذیل را داشته باشد، 1) قادر به ارضای قیود عملکردی سیستم در همه‌ی شرایط کاری بر اساس در نظر گرفتن عدم قطعیت و تغییرپذیری مربوط به توان خروجی DG تجدیدپذیر و تغییرپذیری بار باشند؛ 2) پیکربندی‌های مختلف ریزشبکه را که می‌توانند در یک شبکه‌ی توزیع مرسوم رخ دهند در نظر گیرند، که در آن تنظیمات یکسان یک واحد DG باید عملکرد آن در جزیره‌های مختلف ممکن را قادر سازند؛ 3) توانایی IMG برای تغذیه‌ی تقاضای حداکثر ممکن را با ارتقاء شاخص مجاورت ناپایداری ولتاژ تضمین کنند، شاخصی که در همه‌ی وضعیت‌هایی که سیستم جزیره شده ممکن است موجود باشد محاسبه شده است. بر اساس این ملاحظات، این مقاله یک الگوریتم جدید احتمالاتی برای انتخاب بهینه‌ی تنظیمات دروپ برای هر واحد DG در یک شبکه‌ی توزیع وقتی که یک MGCC در اختیار نیست، ارائه می‌کند. الگوریتم ارائه شده با ارضای قیود عملکردی سیستم و توسعه‌ی حاشیه‌ی بارگذاری آن، یک روش سلسله‌مراتبی مقید برای ارتقاء عملکرد IMGها اتخاذ می‌کند. این الگوریتم تغییر پیکربندی‌های ممکن ریزشبکه را که می‌تواند در یک شبکه‌ی توزیع آغاز شود، ویژگی‌های خاص و فلسفه‌ی عملکردی مربوط به سیستم‌های IMG کنترل‌شده‌ی دروپ، و طبیعت تصادفی تولید سیستم و بارها را در نظر می‌گیرد. لذا این می‌تواند یک ابزار موثر و قدرتمند برای کمک به اپراتورهای شبکه‌ی توزیع (DNOها) در انتخاب تنظیمات بهینه‌ی دروپ برای واحدهای DG در شبکه‌ی توزیع باشد تا عملکرد موفقیت‌آمیز IMGها در غیاب یک MGCC یا وقتی یک MGCC در عملکرد خود موفق نمی‌شود را قادر سازد. ادامه‌ی این مقاله به این صورت سازماندهی شده است. بخش2 ساختار IMG کنترل‌شده‌ی دروپ و مدل حالت ماندگار به کار رفته برای نمایش آن را ارائه می‌دهد. در بخش3، یک مدل احتمالاتی بار- تولید که طبیعت تصادفی اجزای IMG کنترل‌شده‌ی دروپ را شامل می‌شود، ارائه شده است. فرمول مساله‌ی انتخاب بهینه‌ی تنظیمات دروپ برای تک واحدهای DG در بخش4 تشریح می‌شود. بخش5 نتایج شبیه‌سازی برای انواع موارد مطالعه‌ای را فراهم می‌کند که نشان دهنده‌ی کارائی و اهمیت روش ارائه شده است. بخش6 مقاله را نتیجه‌گیری کرده و اهداف اصلی را خلاصه می‌کند.