کنترل نظارتی یک ریزشبکۀ DC تنظیم شدۀ دروپ تطبیقی با قابلیت مدیریت باتری

چکیده

عبارات شاخص

مقدمه

پیکربندی و کنترل ریزشبکۀ DC 

شکل1. طرح یک ریزشبکۀ dc. 

کنترل دروپ مرسوم

پخش بار در ریزشبکۀ DC کنترل شده به صورت دروپ

شکل2. طرح معادل ریزشبکۀ dc کنترل شده به صورت دروپ.

شکل3. مشخصات i – P یک واحد کنترل شده به صورت دروپ، MPPT و شارژ. 

شکل4. انحراف ولتاژ برای هر دوی CPS/CPL و مقاومت منفی CPL با معادل متغیر Rd. (الف) انحراف ولتاژ روی شینۀ مشترک. (ب) مقاومت منفی CPL. 

مدلسازی و کنترل منبع ذخیره‌ساز انرژی

مدل باتری

شکل5. مدار معادل الکتریکی باتری. 

کنترل شارژ و ولتاژ

شکل6. نمایش بلوک طرحوار حلقه‌های کنترلی داخلی و خارجی برای باتری. 

محاسبۀ تطبیقی دروپ

شکل7. پیکربندی کامل ریزشبکۀ dc با طرح‌های کنترل اولیه و نظارتی. 

سیستم نظارتی مدیریت انرژی

مود عملکرد طبیعی

شکل8. نمودار گردشی even-driven سیستم.

شکل9. مدار معادل‌های سیستم تحت مودهای مختلف. (الف) مود 1. (ب) مود 2. (ج) مود 3. (د) 

مود اولین شارژ 

مود وضعیت شارژ کامل

حلیل سیگنال کوچک

شکل10. نمایش بلوک طرحوارد یک مبدل دو طرفه با تکنیک کنترل دروپ پیاده‌سازی شده. 

شکل11. خانوادۀ مکان‌های هندسی ریشه‌ها برای تغییر CPL سیستم از P=600 وات تا P=0. 

نتایج آزمایشگاهی

جدول1:پارامترهای چیدمان آزمایشگاهی

شکل12. چیدمان آزمایشگاهی. 

تست گذر از مود 1 به مود 2

شکل13. نتایج برای گذر از مود 1 به مود 2. (الف) ولتاژ مشترک dc. (ب) جریان‌های سلف. 

شکل14. گذر از بوست برای شارژ شناوری در مود 2. (الف) ولتاژ باتری 1. (ب) جریان‌های سلف.

ب. تست بازگشت از مود 2 به مود 1

شکل15. نتایج برای گذراز مود 2 برگشت به مود 1 پس از تکمیل الگوریتم شارژ برای باتری 1. (الف) ولتاژ مشترک dc. (ب) جریان‌های سلف. 

تست گذر از مود 1 به مود 3

شکل16. نتایج برای گذر از مود 1 به مود 3. (الف) ولتاژ مشترک dc. (ب) جریان‌های سلف. 

گذر از مود 3 به مود 4

 تست بازگشت از مود 4 به مود 1

شکل17. نتایج برای گذر از مود 4 برگشت به مود 1. (الف) ولتاژ مشترک dc. (ب) جریان‌های سلف. 

تست خروج از محدودیت جریان در مود 1

نتیجه‌گیری

شکل18. شروع تخلیۀ باتری 2. (الف) جریان‌های سلف. 

سیستم‌های قدرت DC به دلیل تطابق خوب با منابع با خروجی نوع dc مثل سیستم‌های فوتوولتائی (PV) و باتری‌های ثانویه، توجه زیادی را در کاربردهای انرژی تجدیدپذیر به خود معطوف کرده‌اند. در این مقاله، چندین تولید پراکنده (DG) با هم و با یک جفت باتری و بار ادغام شده است تا یک ریزشبکۀ (MG) dc خودکفا تشکیل دهند. برای غلیه بر چالش کنترلی مربوط به هماهنگی چندین باتری موجود در یک ریزشبکۀ خودکفا، یک راهبرد کنترل سلسله‌ مراتبی دولایه ارائه شد. 1) لایۀ کنترلی اولیۀ سطح واحد با یک روش تطبیقی دروپ ولتاژ ایجاد شد و هدف آن تنظیم ولتاژ باس مشترک و حفظ وضعیت‌های شارژ باتری‌ها (SOCها) نزدیک به یکدیگر در طی مدیریت شارژ آنهاست. کنترل هر واحد با یک الگوریتم مختص واحد توسعه یافت، یعنی اتمام شارژ برای باتری‌ها و تعقیب نقطۀ توان حداکثر (MPPT) برای منابع انرژی تجدیدپذیر، که با آن یک همپوشانی هموار برخط طراحی شد و 2) لایۀ کنترل نظارتی برای استفاده از رابط مخابرات با پهنای باند کم بین کنترلر مرکزی و منابع طراحی شد تا داده‌های لازم برای محاسبۀ تطبیقی مقاومت‌های مجازی (VR) و نیز معیارهای گذر برای تغییر مودهای عملکردی سطح واحد جمع‌آوری شود. یک پایداری سیگنال کوچک برای کل دامنۀ مقاومت‌های مجازی (مترجم: جمله‌اش ناقصه!). عملکرد کنترل توسعه یافته از طریق نتایج تجربی (آزمایشگاهی) ارزیابی شد.

پیشرفتۀ تکنولوژیکی در الکترونیک قدرت در طی دهۀ گذشته منجر به شرایطی شده است که در آن منابع انرژی تجدیدپذیری (RES) چون توان بادی و فوتوولتائی (PV) را می‌توان به صورت مجازی به عنوان منابعی با کنترل‌پذیری کامل در حدود تعیین کننده توسط پدیده‌های طبیعی، در نظر گرفت [1]. بنابراین، منابع انرژی تجدیدپذیر یکپارچه با دیگر تولیدات پراکنده (DG) به طور پیوسته و یکنواخت حتی به رقبایی در شبکه‌های الکتریکی جدید تبدیل می‌شوند که تمایل دارند میزان مصرف سوخت‌های فسیلی را حداقل کرده و در عین حال تلاش می‌کنند تا انعطاف‌پذیرتر بوده و در همان حال به صورت پراکنده باشند. با اشاره به پخش توان/ اطلاعات یکطرفۀ سنتی، به این نکته پی برده شد که یکپارچگی مقیاس بزرگ فناوری‌های جدید در یک شبکۀ هوشمند (SG) چنانچه به صورت مستقل صورت گیرد کاری دشوار خواهد بود. لذا، ایدۀ ادغام منابع طبیعی متغیر کوچک با یک سیستم ذخیره‌ساز انرژی (ESS) در یک نهاد کنترل‌پذیر منفرد که بتواند به طور خودکفا و یا در حالت متصل به شبکه کار کند منجر به شکل‌گیری مفهوم ریزشبکه (MG) شد [2]. بسته به نوع ولتاژ روی باس مشترک، ریزشبکه‌های ac و dc را می‌توان از هم تمییز داد. در حالی که کارهای بسیار زیادی در گذشته در جهت پیشرفت و بهبود عملکرد ریزشبکه‌هیا ac صورت گرفته است [3]-[7]، زمینۀ ریزشبکۀ dc اخیرا مورد توجه زیاد واقع شده است به خصوص که مزایای زیاد و قابل توجهی به همراه می‌آورد مثل راندمان بالا، رابط طبیعی‌تر منابع انرژی تجدیدپذیر، تطابق و سازگاری بهتر با الکترونیک مصرف‌کننده و غیره [8]-[13]. علاوه بر این، پخش بار راکتیو، کیفیت توان و کنترل فرکانس دیگر در سیستم‌های dc مطرح نیستند که همین موضوع باعث می‌شود کنترل اولیۀ متناظر با آن نسبت به نسخۀ ac آن پیچیدگی کمتری داشته باشد. در حال حاضر، شایع‌ترین کاربردهای ریزشبکه‌های dc عبارتند از تامین توان الکتریکی سیستم‌های مجزایی چون خودروها، فضاپیماها، مراکز داده، سیستم‌های تلکام یا نواحی روستائی [14]-[17]. در هر دو کاربرد ac و dc، چنانچه پل‌های مخابراتی و ارتباطی سریع میان منباع موازی موجود باشد، حتی سخت‌ترین کنترل‌ها را نیز می‌توان صورت داد. با این حال، با افزایش تعداد واحدها و/ یا پخش این منابع، سخت‌افزار سیم‌کشی به یک محدودیت و معضل جدی بدل خواهد شد. همچنین، اختلاف‌های فیزیکی میان مبدل‌ها و خطوط می‌تواند سرآغاز مسائل مربوط به جریان گردشی باشد [18]. لذا، برای غلبه بر این قیود، یک روش کنترل دروپ، که از کنترل سنتی سیستم قدرت ناشی شده است [19]، در هر دو ریزشبکۀ dc و ac ارائه شده است. به طور خاص، کنترل دروپ ریزشبکه معمولا مبتنی بر تفریق بخشی از جریان خروجی مبدل متناب با مقاومت مجازی (VR) از مرجع ولتاژ است. برخی نویسنده‌ها نیز ضرب انحراف ولتاژ اندازه‌گیری شده در یک قدار معکوس مقاومت مجازی را پیشناهد کرده‌اند [21]. با این حال، مطلوب این است که همل توان موجود از منابع انرژی تجدیدپذیر استخراج شود که به این عمل تعقیب نقطۀ توان حداکثر (MPPT) گویند [22]، [23]، اما این کار همواره در سیستم‌های مجزا (ایزوله) مناسب نیست، چون می‌تواند منجر به انرژی مازاد غیرقابل کنترل شود که در نهایت شاید باعث اضافه‌ شارژ منابع ذخیره‌ساز انرژی گردد. از سوی دیگر، یک باتری، یک سیستم ذخیره‌ساز انرژی که در این مقاله به کار رفته است، دارای نیازها و الزامات بخصوص برای تکمیل شارژ مجدد جهت دستیابی به طول عمر بهینه است [24]. بنابراین، باید گزینه‌ای برای کنترل این واحدها در سیستم بر اساس مشخصات خاص آنها وجود داشته باشد. برای این مقصود، در این مقاله یک کنترل دوگانه روی سطحاولیه ارائه شده است. باید برای قادر ساختن سوئیچینگ هموار و برخط دروپ ولتاژ (VD) و کنترل خاص واحد (MPPT یا شاژ تنظیم شده) توجه مبذول شود. هزینۀ باتری‌ها معمولا دارای سهم زیادی در کل هزینۀ سیستم‌های ایزوله است [25]. همچنین، اندازۀ بهینۀ آنها بستگی به مصرف سیستم و ظرفیت تولید واحدهای تولیدی دارد. بنابراین افزایش احتمالی مصرف در سیستم ایزوله باعث خواهد شد که نیاز به توسعه و گسترش ذخیره‌سازی احساس شود. به دلیل محدودیت‌های سخت‌افزاری، معمولا تنها گزینه برای انجام این کار افزودن منبع ذخیره‌ساز انرژی اضافی و مجزا به سیستم است. با این حال، هرچند افزایش ظرفیت ذخیره‌سازی انعطاف‌ بیشتری را داده و برای دوره‌های زمانی طولانی مدت بدون تولید، قدرت ارتجاعی بیشتری را فراهم می‌کند، اما الزامات شارژ مجدد آن شاید برای سیستم‌های ایزولۀ کوچک با توان محدود منابع انرژی تجدیدپذیر، خیلی بزرگ باشد. از آنجا که پایداری ولتاژ باس مشترک و حفظ آن در حدود مجاز باید دارای بالاترین اولویت باشد، اغلب ضروری است تا تلاش‌های شارژ مجدد در طی زمان پخش شود. تا جائی که نویسنده‌ها مطلع هستند، مسالۀ مدیریت انباره‌ باتری‌های چندگانه در یک سیستم خودکفا از چشم‌انداز بیشتری تحقیقات مربوطه تاکنون خارج شده است. به همین دلیل، یک راهبرد کنترل نظارتی با نقش سه گانه بر روی کنترل اولیه برای یک ریزشبکۀ dc ارائه شد که شامل منابع انرژی تجدیدپذیر و دو باتری مجزا بود. عملکرد اول آن شامل انطباق نوین برخط مقاومت‌های مجازی است که برای دستیابی مجانبی به وضعیت‌های شارژ باتری‌ها (SOC) طراحی شده است و هدف آن مدیریت دوره‌های زمانی شارژ مجدد است. دومین و سومین عملکرد، که در وضعیت شارژ بالا فعال هستند، به ترتیب عبارتند از مسئولیت توزیع ژتون‌های شارژ و دشارژ و گذر بین حالات عملکردی. این مقاله به صورت ذیل سازماندهی شده است. در بخش2، پیکربندی ریزشبکۀ dc نشان داده شده است و دسته‌بندی واحدها بر اسا وضعیت‌های عملکرد شارژ آنها داده شده است. همچنین، کنترل دروپ ولتاژ با جزئیات بیشتری مرور شده است. بخش3 مدلسازی منبع ذخیره‌ساز انرژی و کنترل آن با ارائۀ یک محاسبۀ مقاومت‌های مجازی تطبیقی را فراهم می‌کند. در بخش4، کلیۀ جزئیات کنترل اولیه و عملکردهای کنترل نظارتی بیان می‌شود. بخش5 تحلیل سیگنال کوچک را ارائه می‌دهد که یک روش مفید برای تعیین میزانی است که مقاومت‌های مجازی را می‌توان تغییر داد تا موجب تخریب پایداری نشود. نتایج آزمایشگاهی در بخش6 ارائه شده است تا امکان‌سنجی روش ارائه شده به تایید برسد. در نهایت، در بخش7 نتیجه‌گیری بیان شده است.