صورتی که حلقه داخلی جریان کنترل می‌نماید. خروجی این سطح توان تنظیم شده ی  و  می‌باشد. تحت این کنترل، زمانی که ولتاژ آرایه خورشیدی  دقیقا برابر با ولتاژ رفرنس  باشد، توان تزریقی به شبکه  نیز برابر با مقدار تعیین شده آن می‌باشد. یعنی با تعیین ولتاژ رفرنس  و اعمال آن به این سطح کنترلی توان خروجی اینورتر متناسب با مقدار خواسته شده خواهد بود.

با فرض اینکه مدل دقیق منحنی  آرایه ی خورشیدی نامعلوم است، وظیفه اصلی سطح 2 کنترلی یافتن  متناسب با  در شرایطی است که  کوچکتر از ماکزیموم توان موجود و قابل دسترسی توسط MPPT،  باشد (حالت کنترل دروپ) و همچنین یافتن  به گونه ای متناسب با  در شرایطی است که  بزرگتر از ماکزیموم توان موجود و قابل دسترسی توسط MPPT،  باشد (حالت MPPT). ورودی سطح 2 کنترلی، ،  و  می‌باشد.

کنترل فرکانس در سطح 3 کنترلی قسمت اعظم طرح کنترلی به کار رفته را مشخّص می‌کند. سیستم خورشیدی حاضر در حالت کنترل دروپ مورد بهره برداری قرار می‌گیرد و در صورت نیاز می‌تواند به حالت کنترل اضطراری وارد شود.

لازم به ذکر است، در اینجا به طور خاص با توجّه به زاویه دید این تحقیق تنها حالت کنترلی دروپ مورد توجّه قرار دارد. ورودی سطح 3 کنترلی، تغییرات فرکانس سیستم  و خروجی آن  برای سطح 2 کنترلی خواهد بود.

طرح کنترلی بیان شده می‌تواند بر روی انواع سیستم‌های خورشیدی با توپولوژی‌های مختلف اینورتر در سطح 1 کنترلی مورد استفاده قرار گیرد. تاثیر استفاده از طرح کنترلی پیشنهادی به شدّت وابسته به شرایط بهره برداری سیستم‌های خورشیدی نظیر تابش خورشید و دما است [29]. 

3-3-6- الگوریتم سطح 2 کنترلی برای کنترل توان اکتیو

برای رسیدن به مشخّصات مطلوب تنظیم فرکانس، کنترل سطح 2 می‌بایست دو خصیصه مهّم را برآورده سازد:

  1. توان اکتیو تزریق شده به شبکه وسیله سیستم خورشیدی رفرنس توان تولیدی تعیین شده را به سرعت دنبال کند.
  2. بتوان توان اکتیو را در رنج نسبتاً وسیعی تغییر داد (برای مثال از 0 تا بیشینه توان قابل تولید(MPPT) ).

در الگوریتم‌های پیشین که از حبس تولید (Curtailment) استفاده کردند، سیستم‌های خورشیدی تنها در بخش چپ منحنی  مورد استفاده قرار می‌گرفتند [60] و [61]. در نتیجه پاسخ نه چندان سریع به رفرنس توان بدنبال داشتند. با انتخاب نقاط کاری سمت راست نقطه ماکزیموم توان در منحنی  جهت انتخاب نقطه کار، سرعت دنبال کردن رفرنس توان نسبتا افزایش می‌یابد. در [29] الگوریتمی مبتنی بر درونیابی درجه دوم نیوتون برای رسیدن به نقطه کار جدیدی که به عنوان رفرنس توان مد نظر قرار دارد به کار گرفته شد. اساس کار این الگوریتم استفاده از فرآیندی تکراری برای تعیین ولتاژ لازم برای آرایه خورشیدی است، به نحوی که در این ولتاژ آرایه خورشیدی رفرنس توان را تولید کند. برای مثال این الگوریتم می‌تواند با چند تکرار ولتاژ  متناظر با  در زمانی که  می‌باشد و یا تعیین  هنگامی که  باشد را در زمان کوتاهی تعیین کند.

سطح 3 کنترلی دینامیک سریعی دارد و در قیاس با دینامیک باقی اجزا در مطالعات کنترل خودکار تولید (دینامیک میان مدت)، قابل صرفنظر کردن است.

3-3-7- حالت کنترلی دروپ برای سیستم‌های خورشیدی

کنترل دروپ فرکانس، تکنیکی شناخته شده برای تنظیم فرکانس سیستم قدرت به حساب می‌آید. توان خروجی اکتیو یک ژنراتور سنکرون  متناسب با تغییرات فرکانس سیستم قابل تنظیم است. خصوصاً اینکه تنظیمات به گونه ای انجام می‌شود که توان اکتیو نامی در فرکانس نامی تولید گردد. اگر فرکانس سیستم کمتر از مقدار نامی گردد، نشان می‌دهد  بیشتر از مقدار نامی است و بالعکس.

در این بخش، اِعمال ساختار کنترل دروپ فرکانس بر سیستم‌های خورشیدی شرح و بسط داده می‌شود. اما در اینجا دو محدودیت عمده در قیاس با کنترل دروپ ژنراتورهای سنکرون وجود دارد:

  1. عدم کنترل بر منابع توان اولیّه، محدودیتی سنگین بر حد بالای تولید در توان تزریقی به شبکه اِعمال می‌کند.
  2. ماکزیموم توان قابل بهره برداری از تولید خورشیدی، همانطور که در مدلسازی تولید خورشیدی عنوان شد، به شدّت تحت تاثیر شدّت تابش خورشید و دما است. در نتیجه در بکار بستن کنترل دروپ باید توجه داشت که می‌بایست منحنی دروپ فرکانس را با نقاط کاری متنوعی تطبیق داد.

بر اساس ویژگی‌های بیان شده، می‌توان تابعی توصیف نمود که خروجی رفرنس توان اکتیو را با فرکانس سیستم ارتباط می‌دهد:

(3-23)

که در آن  و  شرایط نامی بهره برداری شبکه است. رابطه 3-23 بیان می‌دارد بدون احتساب محدودیت حداکثر تولید،  می‌تواند به صورت  محاسبه گردد. این فرم مشابه محاسباتی است که برای ژنراتورهای سنکرون نیز انجام می‌شود [2]. زمانی که  به سقف مجاز تولید می‌رسد، مقدار  به آن اختصاص می‌یابد و قابلیّت تنظیم فرکانس را نیز از دست می‌دهد. در منحنی دروپ فرکانس نشان داده شده در شکل 3-16، خطوط عمودی و افقی به ترتیب، مشخّصه دروپ را در حضور و عدم حضور سقف مجاز تولید  نشان می‌دهد.

فرکانس بحرانی فرکانسی است که در آن  با  برابر خواهد شد:

(3-24)

به طور خاص، سیستم خورشیدی توان ماکزیموم  را زمانی تولید می‌کند که فرکانس شبکه  کمتر از فرکانس بحرانی  بوده و زمانی که فرکانس سیستم  بالاتر از فرکانس بحرانی  باشد، میزان مشخّصی از تولید را حبس می نماید. به صورت مشخّص می‌توان عنوان کرد که میزان توان باقیمانده برای رسیدن به ماکزیموم توان تولید فرکانس بحرانی  منحنی دروپ را تعیین می‌کند.

به منظور به کار بردن طرح کنترلی دروپ برای تولید خورشیدی شکل 3-15 تهیه شده است.

شکل 3- 15 دیاگرام کنترل دروپ فرکانس

همانطور که در شکل 3-15 مشخص است مشابه ساختار مشخصه دروپ گاورنر ماشین های سنکرون ، ابتدا میزان خطای فرکانس از انتگرال‌گیر ی گذشته و سپس توسط  تقویت می‌شود. خروجی این واحد، میزان تغییر توان خروجی واحد را تعیین می کند [2]. در سیستم دروپی که برای واحد خورشیدی در نظر گرفته می شود، خروجی سیستم گاورنر، رفرنس توان سطح 2 کنترلی است. دینامیک کنترلر توان اکتیو را می‌توان به صورت تابع تبدیل درجه اول خطی با ثابت زمانی  و نرخ محدودیت تولید در نظر گرفت [62]. محدودیت تولید را ظرفیت تولید واحد خورشیدی  تعیین می کند. در این مطالعه  ثانیه و ضریب تقویت سیگنال  برابر با 100، در نظر گرفته شده است [29].

زمانی که  به بار  متصل شده است، واحد خورشیدی تحت حالت کنترل دروپ مورد بهره برداری قرار می‌گیرد. در این حال، مشخصّات کنترل دروپ مستقیماً تحت تاثیر دینامیک واحد خورشیدی قرار می‌گیرد:

  1. در اینجا باید توجّه داشت که ضریب باید مطابق با کد شبکه و قابلیّت کلی در تنظیم فرکانس، مطابقت داشته باشد. در سیستم تحت بررسی حاضر  در نظر گرفته می‌شود (شکل3-16).

شکل 3- 16 کنترل دروپ حالت ماندگار سیستم خورشیدی

  1. معمولا را شرایط کاری شبکه مشخّص می‌کند. زمانی که مقدار بالایی به خود می‌گیرد فرکانس شدیدا افت کند، تولید خورشیدی نمی‌تواند در کنترل فرکانس مشارکت داشته باشد. در صورتیکه با مقدار کمتری از ، قابلیّت تنظیم فرکانس واحد خورشیدی افزایش می‌یابد. در این حالت تأمین پشتیبانی قابلیّت تنظیم فرکانس واحد خورشیدی در شبکه به قیمت قربانی کردن توانی است که با تابش شدید خورشید قابل استحصال می‌باشد. به عبارت دیگر، موازنه ای بین مزایای اقتصادی و ظرفیت پشتیبانیِ فرکانس صورت می پذیرد. در حقیقت، سهم تولید خورشیدی در شبکه، باید با توجّه به الگو‌های بار و اغتشاشات احتمالی و همچنین قابلیّت مورد انتظار پشتیبانی فرکانس تعیین گردد. برای مثال در یک سیستم ایزوله کوچک با ضریب نفوذ بالای تولید خورشید، مجموع ظرفیت تنظیم فرکانس شبکه ضعیف است. در نتیجه برای سیستم خورشیدی الزامی است با نقطه بارگذاری پایین‌تر پشتیبانی فرکانسی بیشتری را تأمین نماید.
  2. زمانی که فرکانس شبکه به پایین تر از فرکانس بحرانی نزول می‌کند،  ممکن است به بالاتر از  ارتقا یافته و مقداری را اختیار نماید که غیر قابل تأمین است. در این حال زمان نسبتا زیادی لازم است تا  به میزان  باز گردد. از این رو، اکتواتور‌های اشباع اختیار کار را به دست می گیرند و طرح‌های Anti-Windup پیاده سازی گردند [63].

لازم به ذکر است طرح‌های Anti-Windup زمانی فعّال می شوند که تولید خورشیدی به اشباع رفته باشد. در شبیه سازی انجام شده نقطه کار به گونه ای انتخاب شده که اشباعی در تولید اتفاق نیفتد.

در نهایت می توان بلوک دیاگرام سیستم کنترلی پیشنهادی برای مشارکت واحد خورشیدی در کنترل فرکانس را مطابق دیاگرام داخل خط چین شکل 3-17 نشان داد:

شکل 3- 17 ساختمان کنترل دروپ پیشنهادی برای سیستم خورشیدی

3-4- استفاده از ذخیره‌ساز‌های انرژی در سیستم قدرت

سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی باتری می‌تواند راه حل‌های گوناگونی را برای ارتقای کیفیت توان سیستم‌های تولید توان متشکّل از منابع تجدیدپذیر معرفی کند [64] [65]. از آنجا که سیستم ذخیره‌ساز باتری قابلیّت جبران سازی توان اکتیو سریعی دارد، می‌تواند در مسأله کنترل بار فرکانس سیستم قدرت موفق ظاهر شود. علاوه بر این ذخیره‌ساز باتری موجب افزایش قابلیّت اطمینان سیستم در پیک بار به حساب می آیند. با داشتن دینامیک مناسب از ذخیره‌سازهای باتری می‌توان در زمینه‌های مختلفی چون سطح بندی بار، رزرو سیستم، پایدارسازهای توان خطوط بلند، تنظیم فرکانس سیستم اصلاح ضریب توان و غیره نام برد. بعضی از نمونه‌های موفّق استفاده از ذخیره‌ساز باتری را واحد ذخیره‌ساز 17 مگاواتی برلین [66] و 10 مگاوات/40مگاوات-ساعتی واحد چینو واقع در جنوب شرقی کالیفرنیا [67] دانست.

3-4-1- مدل ذخیره‌ساز باتری

مدار معادل واحد BES را می‌توان به صورت مبدل متصل به یک باتری معادل همانند شکل 3-18 در نظر گرفت.

شکل 3- 18 بلوک دیاگرام مدل خطی ذخیره‌ساز باتری [30]

در مدار معادل باتری،  زاویه آتش مبدّل،  راکتانس جابجاسازی،  جریان DC باتری،  مقاومت اضافه ولتاژ،  ظرفیت خازن اضافه ولتاژ    ولتاژ مدار باز باتری،  اضافه ولتاژ باتری،  مقاومت اتصالی و  مقاومت داخلی باتری،  مقاومت تخلیه خودی باتری و  ظرفیت خازنی باتری را نشان می‌دهد. ولتاژ DC ماکزیموم بی باری مبدل 12 پالسه همانطور که در رابطه 3-25 آمده، با  نشان داده شده است:

(3-25)

که در آن  ولتاژ rms خط می‌باشد. جریان DC تأمینی باتری بوسیله معادله 3-26 بیان می‌شود:

(3-26)

بر اساس بررسی مدل مداری مبدل، توان اکتیو و راکتیو جذب شده واحد BES بوسیله معادلات3-27  و 3-28 بیان می‌شود:

(3-27)
(3-28)

که در آن  و  زاویه آتش مبدل شماره 1 و شماره 2 به کار رفته در مدل BES می‌باشد.

در مطالعات کنترل بار فرکانس عملکرد واحد BES را می‌توان به صورت یک تابع تبدیل درجه اول به فرم زیر و به همراه یک محدود کننده جهت محدود سازی توان تزریقی(مشخص کننده توان نصب شده ذخیره‌ساز در ناحیه) ، تقریب زد [64]:

(3-29)

که در آن  تغییرات فرکانس،  خروجی توان واحد BES،  بهره واحد تولیدی و  ثابت زمانی واحد BES می‌باشد،  و .

3-5- الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات

کنترل خودکار تولید با بازگرداندن فرکانس شبکه و توان انتقالی خطوط به مقدار نامی و برنامه ریزی شده در پی بروز اغتشاشی در بار، نقشی مهّم در سیستم‌های قدرت بر عهده دارند.

پس از بروز انحرافی در بار، برای از بین بردن انحراف ماندگار فرکانس شبکه و باز گرداندن آن به مقدار نامی، حلقه کنترل فرکانس ثانویه می‌بایست با بهره‌هایی بهینه، پاسخگوی این نیاز باشند. در این مرحله، بهره‌های کنترلر انتگرال‌گیر حلقه ثانویه توسط تکنیک بهینه‌سازی نوسان ذرات بهینه شده اند.

این الگوریتم در ابتدا توسط کندی [68]معرفی شد. با بهره گرفتن از این تکنیک پاسخ‌های با کیفیتی با خصوصیات همگرایی پایدار در زمانی کمتر فراهم می‌شود. این تکنیک از ذراتی استفاده می‌کند که نماینده پاسخ‌های بالقوه برای مسئله به حساب می آیند. تمام ذرات با سرعت معینی در فضای جستجو به حرکت در می آیند. موقعیت ذره  ام  نام دارد و سرعت این ذره در تکرار  به صورت زیر تعریف می شوند:

(3-30)
(3-31)

که در آن  تکرار،  تعداد ذرات،  وزن لختی است که به صورت خطی با روند تکرار الگوریتم کاهش می‌یابد،  و  ثابت‌های مکان،  و  شماره‌هایی تصادفی که به صورت یکنواخت از 0 تا 1 انتخاب می‌شوند،  تکرار الگوریتم،  بهترین موقعیت قبلی ذره  ام و  موقعیت بهترین ذره است. در هر تکرار پاسخ بهینه در سلول  جایگذاری می گردد. با ادامه روند بهینه‌سازی و در انتهای تکرار‌ها  پاسخ مسئله خواهد بود. شکل 3-19روند اجرای الگوریتم را نشان می‌دهد.

مقدار دهی اولیّه 
تکرار 
 محاسبه مقدار برازندگی ذرات
 مقایسه مقادیر برازندگی با  و
 تغییر سرعت و موقعیت ذرات متناسب با معادلات 3-29 و  3-30
پایان ( مرز همگرایی یا بیشینه تعداد تکرار) 

شکل 3- 19روند اجرایی تکنیک PSO

3-6- شبکه ترکیبی

با توجه به برنامه های کنترلی پیشنهادی جهت مشارکت تولیدات بادی و خورشیدی و همچنین ذخیره سازها در کنترل فرکانس، میتوان مدل کنترل بار فرکانس سیستم دو ناحیه ای قدرت شکل2-8 را در حضور منابع انرژی تجدیدپذیر و ذخیره سازی باتری به صورت شکل 3-20 به روز کرد.

شکل 3- 20 بلوک دیاگرام سیستم دو ناحیه ای قدرت در حضور مزرعه بادی DFIG و مزرعه خورشیدی و ذخیره ساز باتری

در این شکل تولیدات بادی در ناحیه 1 مستقر شده و با بهره گرفتن از سیگنال ورودی تغییرات فرکانس در کنترل فرکانس شرکت داده می شود. تولیدات خورشیدی نیز در ناحیه 2 نصب شده و با تغییرات فرکانس ناحیه 2 در کنترل فرکانس شرکت دارند. علاوه بر این دو ذخیره ساز های نصب شده در دو نو ناحیه نیز متناسب با حجم نصب شده در ناحیه ظرفیت جدیدی برای مشارکت در کنترل اولیّه فرکانس پدید می آورند.

3-7- جمع بندی

در این فصل ابتدا تاثیرات ورود تولید بادی DFIG به شبکه دو ناحیه ای قدرت مدل شد. نشان داده شد که جایگزینی تولید بادی به جای تولید متداول به معنای کاهش لختی و توانایی تنظیم فرکانس شبکه خواهد بود. در ادامه با بهره گرفتن از مدل توربین بادی 3.6 مگاواتی جنرال الکتریک، ایده استفاده از انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین بادی مورد توجه قرار گرفت کنترلری جهت استخراج این انرژی و معنا بخشیدن به مفهوم لختی توربین بادی عنوان شد. در کنترلر پیشنهادی با بروز انحرافی در فرکانس، این تابع کنترلی فعال شده و توان اکتیو کوتاه مدتی را برای شبکه از طریق جذب انرژی جنبشی موجود در جرم چرخان توربین تا رسیدن سرعت پره به مرز پایینی سرعت مجاز تأمین می کند. این توان موقت علاوه بر سطح توان تولیدی بادی است. این توان اکتیو موقت با مقدار تغییرات فرکانس و همچنین نرخ تغییرات فرکانس سیستم متناسب است. پس از رسیدن فرکانس به سطحی قابل قبول و یا رسیدن سرعت چرخش روتور توربین بادی به سرعت کمینه، این حلقه کنترلی غیر فعال می شود.

در ادامه سیستم کنترلی جدید برای سیستم خورشیدی در شبکه دو ناحیه ای قدرت مورد استفاده قرار گرفت. طرح کنترلی پیشنهاد شده برای استفاده از تولید خورشیدی در سیستم دو ناحیه ای قدرت در نظر گرفتن سطحی بین 0 تا مقدار بیشینه توان قابل تأمین از طرف تولید خورشیدی به صورتی که ظرفیت مازادی در دسترس بوده باشد. برای این ظرفیت رزرو سیستمی مشابه سیستم دروپ واحد های تولید متداول عنوان شد. متناسب با تغییرات فرکانس و ثابت دروپ سیستم خورشیدی، خروجی واحد خورشیدی تغییر می کند. این تغییر توان متناسب با اعمال ولتاژ مشخصی به اینورتر ها و قسمت الکترونیک قدرت شبکه است. این بخش با یک تابع تبدیل درجه اول با ثابت زمانی نسبتاً کوچکی مدل شد. کنترلر پیشنهادی متناسب با تغییرات فرکانس و ضریب نفوذ تولید بادی در کنترل فرکانس اولیّه شرکت می کند.

در ادامه ساختار داخلی ذخیره ساز باتری به اختصار بیان شد. مدلی جهت شرکت ذخیره ساز باتری در کنترل فرکانس عنوان شد. جهت بهینه سازی پارامتر های سیستم قدرت از الگوریتم هوشمند بهینه سازی ازدحام ذرات استفاده می‌شود. قواعد حاکم بر این تکنیک بیان شد. در انتها با توجه به نکات مطروحه در باب مشارکت تولیدات بادی و خورشیدی در کنترل اولیّه فرکانس و حضور ذخیره‌سازها، مدل سیستم قدرت به روز شد. در فصل آینده با توجه به مدل کنترلی بیان شده نتایج شبیه سازی بیان می گردد.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل چهارم: شبیه سازی و ارائه نتایج

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4-1- مقدمه

در این فصل با توجّه به حضور تولیدات انرژی تجدیدپذیر در شبکه،  پاسخ دینامیکی شبکه در حضور ضریب مشخّصی از تولید بادی و یا تولید خورشیدی و یا هر دو همزمان، بدون بکار بردن برنامه‌های کنترلی جهت کنترل فرکانس و با بکار بردن آنها مورد مقایسه قرار می‌گیرند. اثر استفاده از ذخیره‌ساز‌ها در حضور همزمان تولید بادی DFIG با پشتیبانی موقّت  توان اکتیو و تولید خورشیدی با اعمال کنترلر دروپ فرکانس طی چند سناریو بررسی شده و ضریب نفوذ بهینه‌ای برای استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر تعیین می‌شود. برای داشتن پاسخ فرکانسی مطلوب و از بین بردن خطای حالت ماندگار بهره‌های کنترلر انتگرال‌گیر حلقه کنترلی ثانویه توسط الگوریتم بهینه‌سازی نوسان ذرات، بهینه شده و نتایج

جستجو در سایت : کلمه کلیدی خود را وارد نمایید :