کنترل واکنشی دقیق برق ریزشبکه های خودکار با استفاده از یک حلقه القای مجازی سازگار

چکیده

کلمات کلیدی

۱- مقدمه

۲- تکنیک کنترل تحلیلی رایج

۳-  معایب روش های کنترل تحلیل رفتن رایج

تصویر 1. (a) دو اینورتر منبع ولتاژ (VSI)

۴- کنترل کاهشی بهبود یافته با استفاده از امپدانس مجازی

۴-۱- امپدانس مجازی سازگار پیشنهادی

تصویر 2. امپدانس مجازی سازگار پیشنهادی همراه با طرح کنترل ولتاژ برای اینورتربا رابط DG

تصویر 3. یک ریزشبکه با بار محلی و دو اینورتر موازی

۵- جبران تاثیر بار محلی با استفاده از امپدانس مجازی سازگار بهبود یافته

۶- نتایج شبیه سازی و بررسی

تصویر 4. ولتاژهای مرجع ایجاد شده بوسیله ی کنترل گرهای کاهشی و نرخ

جدول 1. پارامترهای شبیه سازی ریزشبکه

تصویر 5. (a) ولتاژهای مرجع تولید شده بوسیله کنترل گرهای کاهشی برای هر 4 DG

تصویر 6. جریان گردشی میان DG ها، بدون حلقه القای مجازی (طرح بالا)، با حلقه القای مجازی رایج (طرح وسط)، و با روش ارائه شده (طرح پایین).

تصویر 7. ولتاژهای مرجع ایجاد شده بوسیله یک کنترل گر کاهشی رایج  و (a) حلقه القای مجازی ، (b) حلقه ی القای مجازی سازگار پیشنهادی

۷- جمع بندی

در این مقاله، یک استراتژی کنترل توان واکنشی مبتنی بر تحلیل نیرو ارائه شده است که برای کاربرد در ریزشبکه های ولتاژ پایین خودکار مناسب است. روش ارائه شده از پتانسیل های مربوط به افزودن یک حلقه القای مجازی دینامیک جهت جبران افت ولتاژهای ایجاد شده به خاطر امپدانس خطی بهره می برد. علاوه بر این، روش مورد نظر القای مجازی زیادی در ترمینال های خروجی منبع تولید پراکنده (DG) ایجاد می کند، تا کوپلینگ میان توان های واکنشی و کنشی را از بین ببرد. در آخر، کارآیی روش ارائه شده در مطابقت با چالش های ذکر شده، با استفاده از تحقیقات شبیه سازی فراگیر، ارزیابی شده است.

طی یک دهه اخیر، نگرانی تدریجی عمومی در مورد مسائل زیست محیطی، افزایش پیوسته ی تقاضای برق و نیاز به شبکه های برقی کارآمد تر و قابل اطمینان تر موجب تغییراتی اساسی در صنعت برق شده است. این کار تحقیقاتی در راستای رسیدن به سطوح بالاتری از منابع انرژی تجدیدپذیر (RES ها) در قالب تولیدات پراکنده (DG ها) صورت گرفته است. افزایش بی وقفه ی نفوذ تولیدات توزیعی در شبکه های توزیع برق منجر به پیدایش مفهوم «ریزشبکه» شده است. همانطور که در مرجع توضیح داده شده است، منطقه ای که منابع انرژی کافی برای عملکرد مستقل از شبکه به هنگام قطع ارتباط را داشته باشد، بعنوان یک ریزشبکه در نظر گرفته می شود. ریزشبکه های می توانند در حالت های متصل به شبکه و خودمختار (که بعنوان منزوی نیز بیان می شود) عمل کنند. در حالت خودمختار، یک معکوس کننده ی DG همانند منبع ولتاژ عمل می کند و خواص دینامیکی ریزشبکه مورد نظر شدیدا وابسته به DG های متصل به آن و همینطور کنترل های تعدیل توان است. در مقالات مربوطه روش های مختلفی جهت ارائه ی توانایی اتصال و استفاده برای DER ها آورده شده است. با اینکه رویکردهای مبتنی بر ارتباطی همچون روش ارباب و برده و کنترل پراکنده (برای مثال به (3) و مرجع مربوطه مراجعه کنید) می توانند کنترل اشتراک برق دقیقی فراهم سازند، هرگونه نقصان در واحد ارباب یا پیوندهای تبادل داده ممکن است منجر به خاموشی کلی یا جزئی ریزشبکه ی مورد نظر شود. از این رو، طراحی های کنترلی غیر متمرکز ترجیح داده می شوند. با این وجود، می توان در مراتب بالاتری از ساختار سلسله مراتبی ریزشبکه ها، از ارتباطات جهت کنترل عوامل دینامیک کند تر و همینطور بهینه سازی عملکرد ریزشبکه های مستقل استفاده نمود. در این روش، با از دست رفتن پیوندهای ارتباطی، بهینگی عملیات به خطر می افتد؛ با این وجود، ریزشبکه کماکان به ارائه خدمات برقی ادامه خواهد داد. از این رو، از میان رویکردهای کنترلی پیشنهاد شده، یک نوع کنترل غیرمتمرکز (که بعنوان کنترل تحلیل رفتن شناخته می شود)، به خاطر سادگی و زیاد بودن توجه زیادی را به خود جلب کرده است. تکنیک های اولیه ی کنترل تحلیلی با در نظر گرفتن توان های کنشی و واکنشی جدا در خطوط القایی غالب ارائه شد. با این وجود، این فرض در مورد ریزشبکه هایی با ولتاژ متوسط یا پایین، که در آن تغذیه رسان ها به ترتیب امپدانس هایی مرکب یا پایا دارند، معتبر نیست. جهت اجتناب از اتصال میان توان های کنشی و واکنشی، برخی روش های القای مجازی ارائه شده تا امپدانس خروجی معکوس کننده ها را شدیدا القایی کند. مشکل اصلی در استفاده از روش امپدانس مجازی این است که اشتراک برق واکنشی ممکن است به خاطر افزایش افت ولتاژ امپدانس تشدید شود. یکی از اهداف در روش اتصال و استفاده این است که، توان های کنشی و واکنشی به طور دقیق و متناسب در بین DG ها توزیع شوند. می توان با کم نیرو شدن فرکانس برق کنشی به اشتراک برق کنشی دقیق دست یافت. در سوی دیگر، دقت اشتراک توان واکنشی متاثر از تغییرات ولتاژ در ترمینال های خروجی اینورتر است. جهت توزیع بارهای واکنشی خطی و غیرخطی در سیستم برق پراکنده AC، رویکردی جدید با معرفی ورودی های کنترل اضافی ارائه شد. با این وجود، با اعمال این رویکرد، ممکن است مقادیر خطوط به علت افزایش پیچیدگی کنترل کننده منحرف شوند. در مرجع، یک نسخه اصلاح شده از ولتاژ و کاهش برق واکنشی ارائه شد، تا اثر افت ولتاژهای بوجود آمده بوسیله ی امپدانس فیدر را از طریق تغییر شیب نمودارهای کاهش نیرو جبران کند. با اینکه روش ارائه شده می توانست اشتراک برق واکنشی دقیق تری فراهم سازد، ممکن بود نیاز به تخمین شیب آنلاین داشته باشد، که منجر به پیچیده شدن این استراتژی می شود. در ریزشبکه هایی با چندین اینورتر DG موازی، تفاوت میان ولتاژهای خروجی اینورترها منجر به جریان گردشی بین آن ها می شود. ممکن است جریان گردشی منجر به ایجاد جریان بیش از حد در اینورترها و همینطور تنزل در کارآیی کنترل تحلیلی شود. یک رویکرد امپدانس مجازی اصلاح شده در (12) ارائه شد تا جریان گردشی میان اینورترها را کاهش دهد، اما رویکرد مورد نظر تنها برای DG هایی با مرتبه مشابه قابل استفاده است. علاوه بر این، روش پیشنهاد شده در مرجع (12)، به خاطر افت ولتاژ در خروجی اینورترها، نمی تواند مساله ی اشتراک برق واکنشی را برطرف سازد. در این مقاله، یک حلقه ی کنترل القای مجازی متغیر، همراه با یک سیستم مدیریت انرژی اصلاح شده (EMS)، ارائه شده است تا عملکرد کنترل کننده های تحلیلی سنتی را بهبود بخشیده و امکان رسیدگی همزمان به مسائل زیر برای آن فراهم شود: (1) حذف کوپلینگ های برقی کنشی و واکنشی در ریزشبکه هایی با ولتاژ کم و متوسط؛ (2) دستیابی به یک نسبت اشتراک برق واکنشی دقیق؛ (3) کاهش جریان گردشی میان اینورترها، بدون نیاز به ارتباط میان واحدهای DG در سطح اولیه. باقیمانده ی این مقاله به صورت زیر مرتب شده است. در بخش 2، قاعده ی روش تحلیلی رایج توضیح داده شده و ایراد های آن مرور شده است. در بخش 3، حلقه ی کنترل امپدانس مجازی اصلاح شده توضیح داده شده تا به مشکلات رایج کنترل تحلیلی رسیدگی شود. در بخش 4 نتایج شبیه سازی ارائه شده و کارآیی کنترل تحلیلی بیان شده ارزیابی می شود، و نهایتا بخش 5 نیز مقاله را جمع بندی می کند.