استراتژی کنترل تطبیقی برای کاربردهای DSTATCOM در سیستم برقی یک کشتی الکتریکی

چکیده

مقدمه

DSTATCOMساختار کنترلی 

تنظیم کنترلر DSTATCOM بر اساس PSO

سیستم ایمنی زیستی و طراحی کنترل­ کننده سازگار ( تطبیق ­پذیر )

سیستم تست

 سیستم تست بر اساس MATLAB

سیستم تست بر اساس    RTDS

نتایج

 سیستم تست با استفاده از MATLAB

سیستم تست بر پایه RTDS

نمایش بار ضربه­ای واقعی

سناریوهای آینده­نگر در بدترین حالت

نتیجه گیری

ضمایم

شکل 1 . دیاگرام شماتیک DSTATCOM

شکل 2. ساختار کنترلی برای اجرا در مطلب

شکل 3 .ساختار کنترلی DSTATCOMبرای اجرای RTDS

شکل 4. سخت افزار آزمایشگاهی شامل RTDS و DSP.

شکل 5 . استراتژی کنترل تطبیقی

شکل 6. سیستم قدرت تست عرشه کشتی برای اجرا در مطلب

شکل7. مقایسه عملکردها برای بارضربه­ ای

شکل8. مقایسه عملکردها برای بار ضربه ­ای

شکل 9. مقایسه عملکرد بین کنترلر برپایه

شکل 10. مقایسه عملکرد بین کنترلر برپایه

شکل 11. تغییرات پارامترهایKpv، Kiv کنترلر.

شکل12. تغییرات پارامترهای Kpc و Kic  کنترلر.

شکل 13. نمایش شماتیک بار ضربه­ای و مدار شارژ.

شکل 14.نمایش مقایسه مشخصات ولتاژ باس

شکل 15.نمایش مقایسه مشخصات ولتاژ باس

شکل16.تغییرات دینامیک پارامترهای کنترلرهای

شکل18. مقایسه عملکرد برای بار

شکل17. مقایسه عملکرد برای بار

شکل19.تغییرات دینامیک پارامترهای کنترلرها

شکل 20 . مدلRSCAD سیستم تست

شکل 21 . مدل گام زمانی کوچک برای موتور محرک با VSC.

جبرانساز استاتیک توزیع ( DSTATCOM ) یکدستگاه جبران کننده شنت است که به طور کلی برای حل مشکلات کیفیت توان در سیستم های توزیعاستفاده می شود. در یک کشتی تمام برقی، مشکلات مربوط به کیفیت توان به علت تقاضای بالای انرژی توسطبارها، مانند بارهای ضربه ای، بوجود می آیند . این مقاله کاربرد یک DSTATCOM برای بهبود کیفیت توان درسیستم قدرت یک کشتیدر حین و بعد از اعمال بارهای ضربه ای را نشان می دهد.استراتژی کنترل DSTATCOM نقش مهمی را در حفظولتاژ در نقطه کوپلینگ مشترک بازی می کند. در این مقاله یک استراتژیکنترل تطبیقیDSTATCOM جدید بر اساس سیستم ایمنی مصنوعی (AIS) معرفی شده است. پارامترهای بهینه کنترل کنندهدر ابتدا با استفاده از الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات به دست آمدهاند. ایننوعیمصونیت ذاتی نسبت به اغتشاشات معمول سیستم فراهم می کند. برای اغتشاشات ناشناخته و تصادفی سیستم، پارامترهای کنترل به صورت آنلاین تغییر می کنند ،بنابراین ایمنی تطبیقی به سیستم کنترل فراهم می شود . عملکرد DSTATCOM و استراتژی کنترل تطبیقی مبتنی بر AISدر ابتدا در پلت فرم شبیه سازی MATLAB مورد مطالعه قرار گرفت . و این از طریق پیاده سازی سیستم قدرت کشتی بر روی شبیه ساز دیجیتال در زمان واقعی و الگوریتم کنترلی بر یک پردازشگر سیگنال دیجیتالی تایید شد.

سیستم قدرت یک کشتی تمام برقی یک شبکه بهم پیوسته دارد، بطوری که بار نیروی محرکه، بارهای توزیع، سنسور و دیگر بارهای اضطراری و بارهای ضربه¬ای ( سلاح¬های ریلی، پرتاب¬کننده¬های هواپیما و غیره ) همه قسمت¬هایی از یک شبکه هستند. در بین بارها، بارهای ضربه¬ای بیشترین اثر را بر روی کیفیت توان سیستم توزیع کشتی می گذارند زیرا آنها مقدار زیادی از انرژی را در یک دوره زمانی کوتاه نیاز دارند [1] ، [2].در شرایط بحرانی و جنگ برای کاهش اثرات بارهای ضربه¬ای بر روی ولتاژ باس و بهبود طول عمر کشتی ، یک جبران ساز استاتیک توزیع ( DSTATCOM ) میتواند استفاده شود و آن را در مقدار قابل قبول نگه دارد. DSTATCOM یک اینورتر منبع ولتاژ ( VSI ) مبتنی بر ابزارهای شنت است[3]، که معمولا در سیستم¬های توزیع برای بهبود کیفیت توان استفاده می¬شود. اصلی¬ترین مزیتDSTATCOMاین است که جریان تزریق شده به باسبار توزیع می¬تواند بوسیله ادوات الکترونیک قدرت تنظیم ¬شود. DSTATCOMکاربردهای متنوعی دارد. برای مثال، می¬تواند برای خنثی کردن اثرات کمبود ضریب قدرت بار، برای جلوگیری کردن از اثرات مضرهای هارمونیکی در جریان بار، برای تنظیم ولتاژ باسبار توزیع در مقابل فرورفتگی و اضافه ولتاژ و غیره ، برای جبران توان راکتیو مورد نیاز بار و غیره به کار رود] 4[. در این مقاله کاربرد DSTATCOM برای تنظیم ولتاژ در نقطه کوپلینگ مشترک ( PCC ) ارائه شده است. کنترل¬های داخلی DSTATCOM نقش بسیار مهمی در موثر بودن DSTATCOMدر نگهداری ولتاژ PCC در طی بارهای ضربه¬ای ایفا می¬کند.بیشتر تحقیقات راجع به DSTATCOM بر روی توپولوژی و کاربردهای آن معطوف شده است. برای مثال، درباره استراتژی¬های کنترلی متفاوت بر پایه توپولوژی¬های اینورتر چند سطحی جبران¬ساز ¬های موازی در ] 3[ و همچنین ] 5[ - ] 7[ بحث شده است. یک کنترل¬کننده مقاوم ( استراتژی کنترل مد لغزشی) در [8] و [9] اقتباس شده است. اما این استراتژی¬های کنترلی برای تغییرات در دینامیک¬های سیستم سازگار نشده است، بنابراین، ممکن است عملکرد مطلوبی برای اغتشاشات ناشناخته و تصادفی سیستم نداشته باشد. این نوع اغتشاشات در سیستم¬های عرشه کشتی¬های نیرو دریایی بخصوص در شرایط جنگ اجتناب ناپذیر هستند. انواع گوناگونی از اسلحه¬های ریلی و پرتاب کننده¬ها ممکن است منجر به انواع گسترده اغتشاشات بارهای ضربه¬ای شوند.کنترل تطبیقی DSTATCOM برای نجات و افزایش طول عمر لازم می¬شود. کنترل¬کننده¬های مرسوم برای DSTATCOM عموما بر اساس کنترل¬کننده PI ( انتگرال تناسبی ) هستند. تنظیم کنترل¬کننده PI برای یک سیستم غیر خطی با تعداد زیاد کلید یک کار پیچیده است. برای غلبه بر این مشکلات می¬توان از روش¬های هوش محاسباتی ( CI ) استفاده کرد. کاربرد روش¬های CI در طراحی کنترل¬کننده تطبیقی برای DSTATCOM ، هنوز بطور گسترده توسط محققان مورد تحقیق و تفحص قرار نگرفته است. مطالعات در [10] و [11] بر پایه شبکه عصبی (NNs ) است. در [10]NN ( شبکه عصبی ) تربیت شده با الگوریتم پس انتشار، جایگزین کنترلر PI شده است . اما تربیت کردن به صورت آفلاین انجام شده است و بنابراین کنترلر بر پایه شبکه عصبی مصنوعی ( ANN ) تطبیقی نمی¬باشد. در [11] یکNN مبنی بر ژنراتور جریان مرجع استفاده شده است که جزئی از استراتژی کنترل تطبیقی می¬باشد. اینجا اگرچه ژنراتور مرجع بصورت آنلاین از NN استفاده می-کند اما تنظیم ولتاژ DC به وسیله کنترلرهای PI مرسوم انجام می¬شود. در این مقاله، استراتژی¬ کنترل تطبیقی برای DSTATCOM بر اساس سیستم ایمنی مصنوعی ( AIS ) ارائه می¬شود. بیشتر روش¬های CI آفلاین هستند و نیازمند آگاهی اولیه از رفتار سیستم می¬باشند. اما AIS ، که توسط تئوری ایمنی شناسی، مشاهدات ، قواعد و مدل¬ها احیا شده است، پتانسیل کافی برای تشخیص وکنترل سیستم تطبیقی آنلاین را دارد[12]. تغییرات غیرعادی در پاسخ سیستم فورا و بدون هیچ گونه آگاهی اولیه تشخیص داده و اعمال می¬شود[13]. کنترلر DSTATCOMAIS-based، رفتارهای ذاتی و ایمنی تطبیقی سیستم را نمایش می¬دهد. پاسخ ذاتی برای اغتشاشات عمومی می¬باشد و برای بهینه بودن به پارامترهای کنترلر نیاز دارد. در این مقاله پارامترهای ذاتی کنترلر با استفاده از الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذره ( PSO ) تعیین شده است. پاسخ تطبیقی برای اغتشاشات جدید و غیر معمولی است و نیازمند این است که پارامترهای کنترلر تطبیقیباشند. استراتژی AIS برای تطبیق این پارامترها به کار برده می¬شود. استراتژی کنترل تطبیقی DSTATCOM در سیستم برق عرشه کشتی برای اولین بار در پلت فرم شبیه سازی MATLAB/Simulink مورد مطالعه قرار گرفت[14] . بر اساس عملکرد مطلوب، این بر روی یک پلت فرم شامل یک شبیه ساز دیجیتال زمان واقعی ( RTDS ) و یک پردازشگر سیگنال دیجیتال ( DSP ) انجام شده است. از مزایای RTDS این است که می¬تواند دینامیک¬های یک سیستم نزدیک به سیستم عملی و واقعی را نمایش دهد. سوئیچینگ¬های الکترونیک قدرت سرعت بالا نیز به طوری شبیه سازی شده است که می¬تواند در هر زمان با سخت افزار واقعی در ارتباط باشد . تنظیم پارامترهای کنترلر توسط PSO برای نمایش پاسخ ذاتی و همچنین استراتژی کنترل AIS-based برای نمایش پاسخ تطبیقی بر روی یک DSP در ارتباط با RTDS انجام می¬شود.