طراحی و تعیین استراتژی بهره برداری از سیستم ترکیبی توربین بادی-فتوولتاییک بر مبنای کنترل اولیه و ثانویه به منظور بهبود مشخصههای پایداری ریزشبکه

طراحی و تعیین استراتژی بهره برداری از سیستم ترکیبی توربین بادی-فتوولتاییک بر مبنای کنترل اولیه و ثانویه به منظور بهبود مشخصههای پایداری ریزشبکه 2 1* فرانک معتمدی فرید شیخ االسالم 1 -دانشجوی دانشکده برق دانشگاه آزاد واحد نجفآباد Fa_motamedi@yahoo.com 2 -دانشکده برق و کامپیوتر دانشگاه صنعتی اصفهان Sheikh@cc.iut.ac.ir چکیده: امروزه افزایش روزافزون دمای زمین و روند رو به رشد مصرف انرژی در جهان استفاده از روشها و سیستمهای جدید تولید انرژی با بازدهی باال و آالیندگی کم را در اولویت قرار داده است. ترکیب توربین بادی با انواع گوناگون مولدهای قدرت مانند سلول خورشیدی سیستمهای هیبریدی جدیدی تولید میکند. در این مقاله رهیافت کنترلی جدیدی جهت افزایش بازده و قابلیت اطمینان در یک سیستم 1 ترکیبی توربین-فتوولتاییک پیشنهاد شده است که عملکرد مناسب ریز شبکه در حاالت مختلف اتصال به شبکه یا حالت جزیرهایMG را تضمین میکند. فرض بر عدم در نظرگیری دینامیک داخلی منابع DG 2 میباشد به این ترتیب هر یک از منابع تولید پراکنده به 4 3 صورت مبدل منبع ولتاژVSC یا مبدل منبع جریانCSC مدل میشوند. سیستم کنترلی مورد نظر از دو کنترل کننده اولیه- ثانویه به همراه کنترل کننده غیر خطی تشکیل شده است. 1 -مقدمه در کنترل ریز شبکه هدف اساسی کنترل ولتاژ/فرکانس با استفاده از توانهای اکتیو و راکتیو میباشد[ 1 ]. به این معنی که با استفاده از ورودیهای توان اکتیو و راکتیو به ترتیب فرکانس و ولتاژ در ریز شبکه کنترل میشود. هم چنین در مبحث کنترل ریز شبکه سطوح کنترلی مختلفی به کار برده میشود که هر کدام هدف خود را دارند. این سطوح کنترلی شامل: کنترل اولیه ریز شبکه: در این کنترل پایداری ریز شبکه در نظر گرفته میشود این پایداری مبتنی بر زاویه و فرکانس است. کنترل ثانویه ریز شبکه: کنترل اولیه همواره با خطا همراه است به خصوص وقتی که بار تغییر کند یا منبعی خارج شود و از همه مهمتر وقتی که جزیره سازی رخ میدهد)قطع از شبکه باال دست(در این حالت کنترل ثانویه کارآمد میشود. 1 Micro Grid 2 Distributed Generator 3 Voltage Source Converter 4 Current Source Converter

به طور کلی ابتدا تقسیم توان در سیستمهای با چند منبع بررسی میشود و سپس به بحث پیرامون طراحی کنترل کننده اولیه/ثانویه و بخش ترکیبی غیرخطی به منظور بهبود فرآیند پایداری می پردازیم. 2 -تقسیم توان در منابع ریز شبکه بطور کلی تئوری تقسیم توان برای ریزشبکه متشکل از 2 منابع تولید پراکنده که در شکل )1( نشان داده شده است, تشریح میشود. هر واحد منابع تولید پراکنده از طریق امپدانس متصل کننده R+jX که متشکل از امپدانس فیلتر است به باس بار متصل شده است. همچنین باس بار از طریق امپدانس R F+jX F و امپدانس ترانس R T+jX T R L+jX L به باس بار مشترک متصل شده است. شکل) 1 (ریز شبکه متشکل از دو منبع تولید پراکنده توان اکتیو و راکتیو که هر منابع تولید پراکنده به باس بار ارسال میکند توسط روابط زیر به دست میآیند: E P = (XV R 2 +X 2 L sin(δ DG ) + R(E V L cos(δ DG ))) ) 1( E Q = (RV R 2 +X 2 L sin(δ DG ) + X(E V L cos(δ DG ))) ) 2( 3 -کنترل اولیه بین صحت تقسیم توان کیفیت توان پاسخ گذرا و پایداری سیستم یک مصالحه ذاتی وجود دارد[ 2 ]. یک راه جایگزین برای تقسیم توان حقیقی ایجاد دروپ زاویه است. به عبارت دیگر به دلیل اینکه توان حقیقی از طریق دروپ زاویه قابل کنترل است نیاز به تغییر فرکانس جهت تنظیم توان نیست و بنابراین فرکانس تنها به عنوان بستری جهت تنظیم توان مورد استفاده قرار می گیرد. رابطه مورد استفاده در این حالت عبارت است از: δ = δ set DP ) 3( شکل )2( دیاگرام سیستم کنترل و مدیریت توان پیشنهادی را برای یک واحد از منابع تولید پراکنده مبتنی بر VSC را نشان میدهد. همانطور که در این شکل قابل مشاهده است حلقه کنترل فرکانس دو حلقه سری زاویه و فرکانس دارد که توان مرجع را تعیین شکل) 2 ( بلوک دیاگرام سیستم کنترلی پیشنهادی

میکند و یک حلقه سنکرون کننده توان که فرکانس خروجی VSC را بر اساس توانهای مرجع و فعال تنظیم میکند. این حلقه سنکرون کننده توان اینرسی اضافی را برای فرکانس فراهم می کند و این کار با تقلید از ممان اینرسی ژنراتور سنکرون متداول انجام میشود. حلقههای زاویه و فرکانس دارای دو نقش مهم هستند. اول آنها مانند میراکنندههایی برای نوسانات فرکانس و زاویه عمل میکنند و در مرحله بعد توان سنکرون کننده را فراهم میکنند. توانهای سنکرون کننده و میراکننده توسط روابط )4( و )5( داده میشوند: P damp = K f ω P synch = K f K d δ ) 4( ) 5( توان سنننکرون کننده سننعی در بازگرداندن زاویه به مقدار مرجع آنرا داشننته در حالیکه توان میراکننده سننعی در میراکردن نوسننانات فرکانس دارد. در اسنترات ی جدید میرای اضنافی K d وجود دارد که جهت میراکردن نوسنانات زاویه به کار گرفته میشنود و در نتیجه کنترل کننده پایداری بهتری را نتیجه میدهد. دینامیک سیستم اضافه شده توسط رابطه زیر تعیین میشود: d ω dt = K p K f (ω ω set ) K d K p K f (δ δ set ) K p (P P set ) ) 6( dδ dt = ω ) 7( همچنین رابطه بین فرکانس VSC و زاویه بار مطابق رابطه) 7 ( است: همان طور که قبل نیز ذکر شد در مود خودگردان دو حلقه دروپ سری شده وجود دارد که با یکدیگر مشارکت می کنند تا توان فعال را به تقسننیم گذاشننته و نوسننانات زاویه و فرکانس را نیز میرا کنند. اولین حلقه دروپ زاویه مقدار فرکانس مرجع را برای حلقه دروپ فرکانس فراهم می کند. ω set = K d (δ set δ) ) 8( P set = K f ( ω set ω) ) 9( بر اساس این مقدار مرجع حلقه دروپ فرکانس مقدار مرجع توان را تعیین می کند: 1-3 -کنترل کننده مکمل غیر خطی به منظور طراحی کنترل کننده غیرخطی مدل فضای حالت سیستم مورد نیاز است. شکل) 3 ( ساختار کنترل کننده غیرخطی مکمل را نشان میدهد. مطابق شکل واضح است که این کنترل کننده یک سیگنال اضافی را به کنترل کننده خطی اضافه میکند که هدف از آن بهبود پایداری اسنت. جهت طراحی این کنترل کننده مدل فضنای حالت که میباشد: x 2 = ω x 1 = δ x 3 = P و به شنکل زیر

شکل) 3 ( بلوک دیاگرام کنترل کننده مکمل غیرخطی { x 1 = x 2 x 2 = a 1 x 1 + a 2 x 2 + a 3 x 3 } ) 10( x 3 = u f + E V L X 2 cos(x 1 ) ω c x 3 + θ u f = uω c V L X sin(x 1) V 1 = 1 2 x 1 2 x 2ref = K 1 x 1, K 1 > 0 V 1 = K 1 x 1 2 + x 1 e 2 هم چنین داریم: ) 11( جمله θ به منظور عدم قطعیتهای سیستمی در نظر گرفته شده است. به منظور طراحی این کنترل کننده تابع لیاپانوف رابطه )12( را در نظر بگیرید. V 1 x 1 ) 12( به منظور پایدار کردن حالت باید مشتق منفی معین باشد. حال اگر: ) 13( بنابراین داریم: ) 14( که در آن e 2 = x 2 x 2ref است. تضمینی برای منفی معین شدن V 1 وجود ندارد. در گامهای بعدی با انتخاب صحیح x 3ref منفی میشود. به منظور پایدار سازی فرکانس, را بر اساس تابع لیپانوف انتخاب میکنیم. عبارت V 2 x 3ref V 1 V 2 = V 1 + 1 2 e 1 2 V 3 = V 2 + 1 e 2 3 2 + 1 2 γ(θ θ ) 2 برای تضمین پایداری سیستم تابع لیاپانوف نهایی را به صورت زیر در نطر میگیریم: ) 15( ) 16( حال اگر قانون تطبیق و سیگنال کنترلی را به تربیت به صورت زیر انتخاب کنیم: θ = 1 γ e 3 ) 17( EV u f = (A + K L cos(x 1 X 1))x 1 + (B EV L cos(x X 1) a 3 )e 2 + (C K 3 )e 3 θ ) 18( آنگاه خواهیم داشت: V 3 = K 1 x 1 2 K 2 e 2 2 K 3 e 3 2 ) 19( بنابراین با سیگنال کنترلی) 19 ( پایداری سراسری سیستم تضمین میشود.

4 -کنترل ثانویه در کنترل ثانویه تغییرات فرکانس ریز شبکه به صورت تابعی از تغییرات توان اکتیو و تغییرات ولتاژ به صورت تابعی از تغییرات توان راکتیو در نظر گرفته میشود. اهمیت کنترل ثانویه ریز شبکه به هنگام جزیرهای شدن میباشد. چرا که با جزیرهای شدن میکروگرید فرکانس و ولتاژ ریز شبکه دچار افت ماندگار در زمان میشود که کنترل اولیه قادر به جبران این افت نمیباشد. در کنترل ثانویه یک حلقه خارجی پس از اندازهگیری فرکانس و ولتاژ باس ریز شبکه و محاسبه خطای فرکانس و ولتاژ از مقدار مرجع این خطا را از یک تابع تبدیل پایین گذر عبور میدهد تا پس از سنکرون سازی فرکانس از این مقادیر برای انجام دروپ فرکانس و ولتاژ به عنوان کنترل اولیه اقدام شود. فرموالسیون این روش که در آن از کنترل کننده PI استفاده شده است در زیر آورده شده است. برای بازیابی فرکانس و ولتاژ به تربیت داریم: δω = k pω (ω MG ω MG ) + k iω (ω MG ω MG )dt + ω s ) 20( δe = k pe (E MG E MG ) + k ie (E MG E MG )dt ) 21( که از مقادیر متناظر با )20( و) 21 ( برای دروپ فرکانس و ولتاژ استفاده میشود. 5- نتایج و شبیه سازی شبکه شبیه سازی شده شامل دو منبع CSC یا مبدل منبع جریان است. این سیستم از طرفی با اعالم کنترل MPPT برای هر کدام از منابع کنترل شده با جریان رفرنس توان آنها را نیز مشخص میکند. در شبیه سازیهای انجام شده 4 سناریو در نظر گرفته شده است که به صورت زیر می باشند: 1. حالت جزیره ای در این سناریو در ثانیه اول از شبیه سازی شبکه با جدا شدن از شبکه باالدست به حالت جزیره ای می رود. در این حالت نتایج کار به صورت زیر می باشد. شکل) 4 ( شکل موج فرکانس ترمینال منابع شکل) 5 ( شکل موج ولتاژ ترمینال منابع

در شکل) 4 ( منحنی فرکانس منابع نمایش داده شده است همان طور که مشخص است سیستم توانسته ولتاژ ترمینال منابع را در مقدار مرجع حفظ کند و پس از قطع از شبکه باالدست نیز این پایداری حفظ شده است. هم چنین در شکل) 5 ( شکل موج ولتاژ منابع نمایش داده شده است فرکانس منابع قبل و بعد از جزیره ای شدن به خوبی در مقدار مرجع تثبیت شدهاند. شکل) 6 ( توان منابع CSC را نمایش میدهد که به ترتیب در مقدار رفرنس 3 و 4 مگاوات تثبیت شده بودند و توانستهاند در این محدوده توان را به شبکه تزریق کنند. شکل) 6 ( شکل موج توان منابع 2. اضافه بار در این سناریو در ثانیه دوم از شبیه سازی یک بار به میزان 3,2 مگاوات و 0,5 مگا ولت آمپر راکتیو به مدار اضافه میشود و باعث می شود تا توان منبع دچار تغییرات گردد. در ادامه شکل موج نتایج کار نمایش داده شده است. به طور مشخص در این سناریو شبکه از ابتدا در حالت جدا از شبکه باالدست قرار دارد. شکل) 7 ( شکل موج فرکانس ترمینال منابع شکل) 8 ( شکل موج ولتاژ ترمینال منابع

در شکل) 7 ( منحنی فرکانس منابع نمایش داده شده است همان طور که مشخص است سیستم توانسته ولتاژ ترمینال منابع را در مقدار مرجع حفظ کند و پس از افزایش بار نیز این پایداری حفظ شده است. در شکل) 8 ( نمودار ولتاژ منابع نمایش داده شده است. همان طور که مشخص است سیستم توانسته ولتاژ ترمینال منابع را در مقدار مرجع حفظ کند و پس از افزایش بار نیز این پایداری حفظ شده است. 3. خطای سه فاز در این سناریو در ثانیه دوم از شبیه سازی خطای سه فاز متقارن در ریز شبکه اتفاق می افتد در این حالت بهطور مشخص شبکه دچار افت فرکانس و ولتاژ ناگهانی میگردد که مطالعه حالت گذرای ایجاد شده در آن مورد نظر میباشد. در ادامه نتایج این سناریو نمایش داده شدهاند. شکل) 9 ( منحنی فرکانس ترمینال منابع شکل) 10 ( منحنی ولتاژ ترمینال منابع.4 در شکل) 9 ( نمودار فرکانس منابع نمایش داده شده است همان طور که مشخص است سیستم توانسته ولتاژ ترمینال منابع را در مقدار مرجع حفظ کند و به هنگام خطا با وقوع حالت گذرای موقت کلیه ولتاژ در نقطه کار اولیه خود تثبیت شده اند. در شکل) 10 ( شکل موج فرکانس منابع نمایش داده شده است فرکانس منابع قبل و بعد از وقوع خطای سه فاز به خوبی در مقدار مرجع تثبیت شدهاند. حالت اتصال به شبکه در این سناریو در ثانیه دوم از شبیه سازی شبکه وارد حالت اتصال به شبکه باالدست میگردد. در این حالت نتایج کار به صورت زیر می باشد.

شکل) 11 ( منحنی فرکانس ترمینال منابع شکل) 12 ( منحنی ولتاژ ترمینال منابع در شکل) 11 ( نمودار فرکانس منابع نمایش داده شده است همان طور که مشخص است سیستم توانسته فرکانس ترمینال منابع را در مقدار مرجع حفظ کند و در حالت قطع و وصل به شبکه باالدست این مسئله رعایت شده است. در شکل) 12 ( شکل موج واتاژ منابع نمایش داده شده است فرکانس منابع قبل و بعد از اتصال به شبکه باالدست به خوبی در مقدار مرجع تثبیت شدهاند. مراجع [1] Dan Wu, Fen Tang, Tomislav Dragicevie, Autonomous Active Power Control For Islanded AC Microgrids With Photovoltaic Generation and Energy Storage System, IEEE TRANSACTIONS On Energy Conversion,Vol.29,No.4,December 2014 [2] Sayed Mahdi Ashabani and Yaser Abdel-Rady I.Mohamed, General Interface For Power Management Of Micro-Grids Using Nonlinear Cooperative Droop Control,IEEE TRANSACTIONS On Power Systems, Vol.28, No.3,August 2013