کنترل مبدل B2B در سیستم تولید پراکنده متصل به شبکه با هدف جبران افت ولتاژ ناشی از خطا در شبکه

Transcript

1 The 8 th Symposium on vances in Science an Technology (8thSSTech), Mashha, Iran. 8thSSTech.khi.ac.ir 1 کنترل مبدل در سیستم تولید پراکنده متصل به شبکه با هدف جبران افت ولتاژ ناشی از خطا در شبکه مجید آقا بابائی محمد فیروزیان امین عبدوس محمد عابدی نژاد فتاح حسن زاده استادیار دانشگاه علوم دریایی امام خمینی)ره( نوشهر عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسالمی واحد نکا 3 کارشناسی ارشد مهندسی برق قدرت موسسه آموزش عالی روزبهان ساری 4 کارشناسی ارشد مهندسی برق قدرت دانشگاه صنعتی شاهرود 5 کارشناسی ارشد مهندسی برق قدرت دانشگاه صنعتی شاهرود fatahhasanzaeh1@gmail.com نام ارائهدهنده: فتاح حسن زاده در این مقاله کنترل توان در سیستم تولید توان بادی به خالصه همراه یک ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم که از طریق مبدل () ack to ack به شبکهای ضعیف متصل است مورد بررسی قرار میگیرد.در این سیستم با استفاده از کنترل صحیح بر روی مبدلها ولتاژ لینک D تثبیت شده و حداکثر توان اکتیو از توربین بادی به شبکه تحویل داده خواهد شد. همچنین با کنترل مناسب روند کلیدزنی مبد ل سمت شبکه توان راکتیو تولیدی سیستم نیز بهمنظور بهبود افت ولتاژ شبکه ناشی از وقوع خطا در شبکه کنترل میشود. به منظور دستیابی به اهداف فوق ابتدا انرژی تولیدی توربین بادی با استفاده از یک یکسوکننده شش پالسه قابل کنترل از به D تبدیل شده و به لینک D تزریق میشود. سپس جریان تزریقی به لینک D توسط یک اینورتر از نوع منبع ولتاژی به جریان همفرکانس با شبکه تبدیل گردیده و به آن تحویل داده خواهد شد. کنترل روند کلیدزنی هر دو مبد ل موجود در این سیستم با استفاده روش PWMانجام میپذیرد. در انتها شبیهسازی در محیط نرمافزار متلب/سیمولینک انجام گردیده و نتایج آن مورد بررسی قرار میگیرد. کلمات کلیدی: جبرانسازی ولتاژ کنترل توان راکتیو منابع تولید پراکنده مبدل.ack to ack 1. مقدمه امروزه با پیشرفتهای صورت گرفته در زمینه انرژیهای تجدید پذیر یکی از راهکارهایی که در تأمین تقاضای انرژی مشتریان مورد استفاده قرار میگیرد استفاده از منابع تچدیدپذیر انرژی به صورت تولید پراکنده میباشد] 1 [. با پیشرفت روزافزون سطح تقاضای مصرفکنندگان در جهت تأمین انرژی الکتریکی و با توجه به اثرات منابع تولید پراکنده بر روی شبکهی توزیع مطالعه و بررسی بر روی این منابع از اهمیت زیادی برخوردار گردیده است] 1 [. از جمله مواردی که در استفاده از منابع تولید پراکنده در این مبحث میتوان به آن اشاره داشت بحث کیفیت توان میباشد. ولتاژ و توان راکتیو در شبکه قدرت بایستی در یک محدوده مجاز حفظ وکنترل شود. بدین منظور ژنراتورها بایستی در رنج مطلوبی از ضریب توان کار کنند تا از افت ولتاژ در موقع پیک بار و یا افزایش ولتاژ در موقع کاهش مصرف جلوگیری به عمل آید ][. امروزه از منابع تولید پراکنده ) 1 DG )به منظورتأمین بخشی از انرژی مورد نیاز شبکه استفاده میشود.عالوه بر آن اتصال این منابع به شبکه با اهداف گوناگون مورد توجه قرار گرفته است. یکی از اهداف اصلی اتصال منابع تولید پراکنده عالوه بر تزریق توان اکتیو به شبکه و تامین بار تزریق 1 Distribute Generation

2 The 8 th Symposium on vances in Science an Technology (8thSSTech), Mashha, Iran. 8thSSTech.khi.ac.ir برد. توان راکتیو در نقطه اتصال مشترک بین شبکه و منبع تولید پراکنده) P1 (نیز میباشد. با کنترل توان راکتیو DG و تزریق آن به شبکه میتوان به بهبود پروفایل ولتاژ و بهبود پارامترهای کیفیت توان در حالتهای مختلف عملکردی شبکه و مخصوصا در هنگام وقوع خطا کمک کرد] [. یکی از منابع پر کاربرد در سیستمهای تولید پراکنده توربینهای بادی میباشند ]1[. از طرفی استفاده از این منابع به منظور تزریق توان به شبکه نیازمند استفاده از مبدلهای الکترونیک قدرت میباشند. از این رو از روشهای کنترلی مختلف میتوان برای کنترل مبدلهای الکترونیک قدرت بهره اخیرا مطالعات گوناگونی در زمینهی کنترل مبدل صورت گرفته است. در] 3 [ مبدل بر پایهی معادالت حالت و عملکرد دینامیکی در طول خطاهای متقارن و نامتقارن و تغییرات پلهای توان اکتیو و راکتیو مورد استفاده قرار گرفته است. در ]4[ مطالعهی بر روی سیستم تولید توان بادی همراه با مبدل صورت گرفته است که در آن از استراتژی کنترل برداری بدون سنسور استفاده شده است. در ]5[ کنترل مبدل بر روی سیستم بادی با استفاده از روش کنترل برداری جریان مستقیم صورت گرفته است که در آن اهداف کنترلی توربین تحت سرعتهای باد متغیر و ثابت صورت گرفته است. در سیستم مورد مطالعه در این مقاله توربین بادی شامل یک ژنراتور سنکرون مغناطیس دائم ) PMSG )از طریق مبدل با هدف تزریق حداکثر توان تولیدی توربین بادی به شبکه وکنترل توان راکتیو برای بهبود وضعیت شبکه و همچنین تثبیت ولتاژ لینک D به شبکهای ضعیف متصل شده است. در این سیستم وقوع خطا در نقطه P باعث افت ولتاژ شبکه میشود. لذا جبران افت ولتاژ توسط DG یکی از اهداف مورد نظر میباشد. در این مقاله با بهرهگیری از روش کنترل برداری و همچنین روش سوئیچ زنیPWMبه کنترل مبدلهای سمت شبکه و ژنراتور می پردازیم. شبیهسازی در محیط نرمافزار متلب/سیمولینک انجام و نتایج آن مورد بررسی قرار میگیرد.در ادامه در بخش دوم مدلسازی سیستم در بخش سوم کنترل مبدل و در بخش چهارم شبیه سازی سیستم مورد بررسی قرار میگیرد. بخش پنجم نتیجه گیری میباشد.. مدلسازی سیستم 1. توربین بادی توان تولیدی توربین بادی و رابطه آن با سرعت باد بااستفاده از رابطهی زیر به دست میآید ]6[: در این معادالت P w 1 p RW / V m m (, ) V )( 3 w )1( نشان دهندهی چگالی باد مساحت جاروب شده توسط پرهها V m سرعت باد وp ضریب بهرهوری )که بستگی به طراحی توربین دارد( زاویهی پرهها نرخ سرعت R شعاع پرهها و W m سرعت زاویهای روتور بر حسب ra/sec میباشد. مدل ژنراتور )3( مدل دینامیکی PMSG در قاب مرجع o به صورت معادلهی )3( میباشد ]5[ و ]7[: v v i Rs i t e 1 1. در معادلهی )3( s R مقاومت سیمپیچی استاتور e سرعت زاویهای الکتریکی ژنراتور و i i v v و به ترتیب ولتاژ جریان و شار استاتور در قابمرجع o میباشند. در صورتیکه محور در راستای شار روتور قرار بگیرد شارهای پراکندگی استاتور به صورت زیر میباشند] 8 [: L ls L L ls m L i i f m )4( f شار پراکندگی L ls که اندوکتانس پراکندگی سیمپیچ استاتور L m و L m تولیدی توسط آهنرباها میباشند. همچنین گشتاور الکترومغناطیسی برابر است با ]5[: به ترتیب اندوکانس متقابل محور و استاتور و روتور 1 Point common connection Permanent magnet synchronous generator

3 The 8 th Symposium on vances in Science an Technology (8thSSTech), Mashha, Iran. 8thSSTech.khi.ac.ir p( i m p( i f ( L i ) L ) i i ) )5( V V Rs L e L L L میباشند. معادلهی )3( در حالت ماندگار به صورت زیر میباشد: e L I Rs I e f )6( ls m L L L و ls m که 3. کنترل مبدل شکل 1 نشان دهنده شماتیک سیستم شبیه سازی شده میباشد. مطابق شکل در این سیستم از دو مبدل استفاده شده است مبدل سمت ماشین (MS1) و مبدل سمت شبکه( GS ) ]9[. Network a b c [swgri] a b c g 1 Gri Sie onverter g [swg] Vc generator Sie onverter a b c Tm Tm m Permanent Magnet Synchronous Machine a b c Fault [Vc] vc [wm] [is] wm i [vabc] vbus switchg [swgri] [is] i switchg [swg] [iabc] igri gri sie controller T theta1 Generator sie controller شکل : 1 شماتیک سیستم شبیه سازی شده در شبیهسازیهای این فصل روش مدوالسیون بکار گرفتهشده برای اعمال فرمان به سوئیچهای قدرت از نوع مدوالسیون PWM میباشد. در این روش به کمک کلید زنی سریع سیگنال مرجع ورودی به فرکانسه یا باال مدوله شده و عمال هارمونیک های مخرب حذف میشود ]9[. 3.1 کنترل MS کنترل توان اکتیو و ردیابی حداکثر توان تولیدی توربین بادی از جمله اهداف مبدل سمت ژنراتور می باشد ]11[ و ]11[. شکل نشان دهنده حلقه کنترل سنتی برای MS می باشد. در این شکل حلقه مربوط به محور برای کنترل سرعت و یا گشتاور ژنراتور و حلقه مربوط به محور مربوط به سایر اهداف کنترلی می باشد. 1 Machine Sie onverter Gri Sie onverter

4 The 8 th Symposium on vances in Science an Technology (8thSSTech), Mashha, Iran. 8thSSTech.khi.ac.ir ω m ω m i i i i ω e L i v ω e ψ f v ω e L i V V Switching pulse generator SVPWM rectifier شکل : حلقه کنترل سنتیMS مطابق شکل مشاهده می شود که در حلقه مربوط به محور با مقایسه جریان محور ژنراتور و جریان مرجع مربوطه و همینطور با استفاده از کنترل کننده ولتاژ مرجع محور v ) ) حاصل میشود.همچنین برای محور با توجه به اینکه برای داشتن توان ثابت m i و با یکدیگر در i ارتباط هستند یعنی با تغییرات m i مقدار نیز تغییر میکند بنابراین مقدار جریان مرجع از مقایسه سرعت نامی روتور و سرعت لحظهای روتور ( (v ) مرجع محور ولتاژ ژنراتور با جریان مرجع مربوطه و با استفاده از کنترل کننده بدست میآید.سپس با مقایسه جریان محور ( m حاصل می شود. در نهایت با دیکوپلینگ ولتاژهای کنترل نهایی به صورت وv vحاصل میشوند. معادله )7( نشان دهنده این ولتاژها می باشد. v v w eli v v w el i w ef )7( 3.1 کنترل GS اهداف کنترلی این مبدل عبارتند از] 11 [ و ]11[: 1 کنترل و تثبیت ولتاژ لینک D در مقدار مرجع کنترل توان راکتیو تزریقی به شبکه مطابق مقدار مرجع شکل 3 نشان دهنده حلقه کنترل سنتی برای GS میباشد. در این شکل حلقه مربوط به محور برای کنترل توان راکتیو و حلقه مربوط به محور مربوط به کنترل ولتاژ لینک D می باشند. V c v V cref i i v V l Switching pulse Qref Q i i K v ω sl fi ω sl fi V l generator SVPWM inverter شکل 3: حلقه کنترل سنتیGS با توجه به اینکه مبدل سمت شبکه باید بتواند ولتاژ لینک D را در محدوده مجاز کارکرد مبدل حفظ کند از طرفی ولتاژ لینک D با توان حقیقی مبدل و به طبع آن با جریان محور مبدل سمت شبکه رابطه مستقیمی دارد بنابراین میتوان از خروجی حلقه کنترل ولتاژ به عنوان مقدار مرجع جریان محور استفاده کرد.مطابق شکل 3 مشاهده می شود که در حلقه مربوط به محور با مقایسه ولتاژ لینک c با مقدار مرجع و با استفاده از کنترل کننده جریان مرجع محور ساخته شده و با مقایسه این جریان مرجع با جریان مربوط به محور و با استفاده کنترل کننده ولتاژ مرجع محور v ) حاصل l) میشود. در حلقهسمت کنترل توان راکتیو از سمت اینورتر بر عهده این محور میباشد تا با توجه به وضعیت افت ولتاژ ناشی از خطای گذرای سمت شبکه یا در مواقعی که در نقطه P دچار باالزدگی میشود بتواند به اندازه ظرفیت سوئیچهای اینورتر جریان و به تبع آن توان راکتیو برای بهبود وضعیت ولتاژ به نقطه اتصال مشترک تزریق کند.بنابراین برای محور نیز با مقایسه توان راکتیو انتقالی با توان راکتیو مرجع مورد نظر

5 The 8 th Symposium on vances in Science an Technology (8thSSTech), Mashha, Iran. 8thSSTech.khi.ac.ir و با استفاده از کنترل کننده جریان محور حاصل میشود و سپس با مقایسه آن با جریان مرجع مربوطه ولتاژ مرجع محورl) v ) حاصل میشود. در نهایت با دیکوپلینگ ولتاژ کنترل نهایی به صورتl v وl v حاصل می شود. معادله )8( نشان دهنده این ولتاژها میباشد. v v w L i v v l v w slf i l s f )8( 4. نتایج شبیه سازی در این بخش DG مورد نظر در نقطه PP به شبکهای ضعیف متصل میشود. همانطور که قبال نیز بیان شده وظیفه اصلی مبدلها تزریق حداکثر توان GD به شبکه با ثابت نگهداشتن ولتاژ لینک GP برای تغذیه بار محلی و همچنین کنترل توان راکتیو در لحظه خطا یا سایر شرایطی که ممکن است ولتاژ را تحت تأثیر قرار دهد میباشد. در این مقاله سیستم مورد نظر در حالت عملکرد عادی و عملکرد در شرایط خطا مورد بررسی قرار میگیرد. 3.1 عملکرد سیستم در شرایط کار عادی در این حالت فرض میشود که سیستم مورد نظر در شرایط عادی عملکرد خود میباشد. بنایراین DG توان تولیدی خود را از طریق مبدلها به شبکه انتقال میدهد. شکلهای 4 و 5 و 6 به ترتیب نشان دهنده ولتاژ لینک D توان اکتیو تزریقی به شبکه و توان راکتیو تزریقی به شبکه میباشند. شکل 7 نیز نشان دهنده جریان DG تزریقی به شبکه میباشد. همانطور که مشاهده میشود ولتاژ لینک D در مقدار مورد نظر تنظیم شده و به صورت ثابت میباشد. همچنین توانهای اکتیو و راکتیو نیز در مقدار مورد نظر تنظیم شده و به صورت ثابت و پایدار به شبکه تزریق میشوند. جریان نیز با توجه به میزان توان انتقالی و با توجه به ولتاژ شبکه در مقدار خود تثبیت شده است. 3 D link voltage [V] شکل 4: ولتاژ لینک D در شرایط عملکرد نرمال 6 x 16 4 power generation of DG [W] شکل 5: توان تزریقی DG به شبکه در شرایط عملکرد نرمال

6 The 8 th Symposium on vances in Science an Technology (8thSSTech), Mashha, Iran. 8thSSTech.khi.ac.ir 1 x 16 reactive power generation of DG [Vr] شکل 6: توان تزریقی DG به شبکه در شرایط عملکرد نرمال شکل 7: جریان تزریقی DG به شبکه در شرایط عملکرد نرمال.4 عملکرد سیستم در شرایط خطا در این قسمت فرض بر این است که در زمان عملکرد سیستم یک خطای سه فاز در شبکه رخ دهد. لذا مطابق شکل 8 در زمانی که DG به شبکه متصل نباشد ولتاژ کاهش چشمگیری خواهد داشت. اما در صورتی که DG مورد نظر به شبکه متصل باشد با افزایش تولید توان راکتیو به بهبود افت ولتاژ و جبران آن کمک بسیاری میکند. در این حالت با توجه به اینکه DG به شبکه متصل است سیسستم در زمان 1/5 ثانیه تا 1/ ثانیه دچار خطای سه فاز در نقطه P میشود. شکل 9 نشان دهنده جریان خطا میباشد. شکلهای 11 و 11 نیز به ترتیب نشان دهنده توانهای اکتیو و راکتیو تزریقی توسطDG به شبکه میباشند. مطابق شکل 11 توان راکتیو در زمان وقوع خطا افزایش چشمگیری داشته است. هدف از افزایش میزان توان راکتیو تولیدی DG کمک به جبران افت ولتاژ ناشی از خطا میباشد. شکل 1 نیز نشان دهنده ولتاژ شبکه میباشد. مشاهده همانطور که در شکل 11 مشاهده میشود توان اکتیو نوسانات بسیار کمی در لحظات خطا و رفع آن دارد اما در حالت کلی در مقدار مرجع خود تثبیت میماند. مطابق شکل 11 توان راکتیو در زمان خطا به منظور جبران افت ولتاژ ناشی از خطا مقدار خود را افزایش داده و باعث جبران بخشی از افت ولتاژ میشود. با مقایسه شکلهای 8 و 1 با یکدیگر مشاهده میشود که ولتاژ شبکه در حالت حضور DG نسبت به حالت عدم حضور DG در زمان وقوع خطا افت کمتری دارد. به عبارت دیگر در حالت حضور DG افت ولتاژ رخ داده در شکل 8 به اندازه %71 بهبود یافته است و دلیل این امر افزایش توان راکتیو تزریقی توسط DG به شبکه میباشد. شکل 11 نیز نشان دهنده جریان تزریقی توسط اینورتر به شبکه میباشد. در این شکل نیز میشود که جریان در لحظه وقوع خطا افزایش یافته است. 4 P voltage without back to back با وجود خطا و بدون حضور DG شکل 8: ولتاژ در نقطه PP

7 The 8 th Symposium on vances in Science an Technology (8thSSTech), Mashha, Iran. 8thSSTech.khi.ac.ir 5 fault current [] x 16 4 مقدار جریان خطا در زمان خطا و پس از رفع آن active power [W] شکل 9: شکل 11: مقدار تغییرات توان اکتیو تزریقی اینورتر با وجود خطا 4 x 16 reactive power [Vr] Time [Sec] شکل 11: مقدار تغییرات توان راکتیو تزریقی اینورتر با وجود 4 P voltage [V] شکل 1: مقدار بهبود 7% ولتاژ در نقطه P با وجود خطا

8 The 8 th Symposium on vances in Science an Technology (8thSSTech), Mashha, Iran. 8thSSTech.khi.ac.ir 1 x 1 4 Inverter urrent fter Fault [] Time [Sec] شکل 11: مقدار جریان تزریقی اینورتر با وجود خطا 5. نتیجهگیری در این مقاله کنترل مبدل در سیستم تولید توان پراکنده متصل به شبکه مورد بررسی قرار گرفت. با اعمال روش کنترل برداری بر روی مبدلها و روش PWM برای سوئیچینگ کلیدهای مبدلها اهداف مورد نظر به درستی تحقق یافت. از مهمترین اهداف مورد نظر عالوه بر انتقال ماکزیمم توان DG به شبکه جبران افت ولتاژ ناشی از خطا در شبکه مد نظر میباشد. با بررسی عملکرد سیستم در دو حالت عملکردی مختلف حالت کار عادی و حالت کار ناشی از وقوع خطا مشاهده گردید که در زمان خطا DG با افزایش تولید توان راکتیو خود به بهبود افت ولتاژ به میزان %71 ولتاژ کاهش یافته کمک کرده است. 6. مراجع فتاح حسنزاده امین حاجیزاده فاضل عباسی "تحلیل و بررسی شرایط عملکردی مختلف در تعیین اندازه سیستم تولید توان ترکیبی بادی/ پیل سوختی/ذخیره ساز انرژی" کنفرانش انرژیهای تجدیدپذیر و تولید پراکنده ایران [] W. ElKhattam,M.M..Salama,"Distribute generation technologies, efinitions an benefits", Electric Power Syst. Res,pp 11918,4. [3] M. Khatir, S.. Zii, S. hajeri, M. K. Fellah, Dynamic Performance of a KTOK HVD Station ase on Voltage Scource onverters, Journal of electrical engineering, VOL. 61, NO.1, 1, 936. [4] K. Huang, Sh. Huang, F. She,. Luo, L. ai, ontrol Strategy for Directrive Permanent Magnet Winpower Generator Using acktoback PWM onverter Project Supporte by National Eleventhfive 863 Research Program 1. [5] Sh. Li, T.. Haskew, R. P. Swatloski, W. Gathings, Optimal an Directurrent Vector ontrol of DirectDriven PMSG Win Turbines, IEEE TRNSTIONS ON POWER ELETRONIS, VOL. 7, NO. 5, MY. [6] L. G. González1, E. Figueres, G. Garcerá, O. arranza, Synchronization Techniues omparison for Sensorless ontrol applie to PMSG, International onference on Renewable Energies an Power Quality (IREPQ 1), Valencia (spain), 15th to 17th pril, 9. [7]. R. ergen anv.vittal, Power System nalysis, n e. Upper Sale River, NJ: PrenticeHall,. [8] S. Li, T.. Haskew, Y. Hong, PMSG maximum win power extraction control using aaptive virtual lookup table approach in irectcurrent vector control structure, Int. J. Energy Res., vol. 35, no. 11, pp. 99 1, Sep. 11. [9] jit K. hattopahyay, Ph.D., FIEEE,. onverters Electrical Engg. Department, engal Engineering ollege, (Deeme University), Howrah711 13, Inia [1] Fattah Hassanzaeh, min Hajizaeh, Fazelbbasi, Stability nalysis an Optimal State Feeback ontrol of acktoack onverter, Journal of Technology Innovations in Renewable Energy, 13,, pp [11] R.. Portillo, M.M. Prats, J.I. Leon, J.. Sanchez, J.M. arrasco, E. Galvan, L.G. Franuelo,. Moeling Strategy for acktoack ThreeLevel onverters pplie to HighPower Win Turbines IEEE TRNSTIONS ON INDUSTRIL ELETRONIS, VOL. 53, NO. 5, OTOER 6. ]1[

9 The 8 th Symposium on vances in Science an Technology (8thSSTech), Mashha, Iran. 8thSSTech.khi.ac.ir