کنترل کننده پیش‌فاز-پس‌فاز بهینه برای تولید پراکنده در شرایط جزیره‌ای بوسیله الگوریتم بازپخت شبیه سازی شده

نوع مقاله: مقاله علمی فارسی

نویسندگان

1 استادیار- گروه مهندسی برق - دانشگاه محقق اردبیلی - اردبیل- ایران

2 دانشجوی دکتری- گروه مهندسی برق - دانشگاه محقق اردبیلی - اردبیل- ایران

چکیده

توان اکتیو و راکتیو تولیدات پراکنده معمولا در شرایط متصل به شبکه توسط استراتژی جریان dq کنترل می‌شود. اما پس از جزیره ای شدن استراتژی کنترل جریان dq نمی تواند وظیف کنترل را به درستی انجام دهد؛ در نتیجه این کنترل کننده غیر فعال شده و یک کنترل کننده پیش‌فاز-پس‌فاز تنظیم شده بوسیله الگوریتم بازپخت شبیه سازی شده برای تولید پراکنده در حالت جزیره‌ای پیشنهاد می‌گردد. معیار مجموع حاصلضرب زمان در سیگنال خطا به عنوان تابع هدف الگوریتم بازپخت شبیه سازی شده فلزات برای بهینه پارامترهای کنترل کننده بکارگرفته می‌شود تا پاسخ سریع و مقاوم برای سیستم به دست آید. کنترل کننده پیشنهادی حاشیه های پایداری مقاوم سیستم را بهبود می دهد و نتایج شبیه سازی به ازای شرایط مختلف بار و ورودی، قوام و سرعت بیشتر کنترل کننده پیشنهادی در مقایسه با یک کنترل کننده مشابه قبلی را تایید می کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Optimal Lead-lag Controller for Distributed Generation Unit in Island Mode Using Simulated Annealing

نویسندگان [English]

  • A. Akbarimajd 1
  • B. Sobhani 2
1 Electrical Engineering Department, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
2 2 Electrical Engineering Department, University of Mohaghegh Ardabili, Ardabil, Iran
چکیده [English]

Active and reactive power components of a Distributed Generation (DG) is normally controlled by a conventional dq-current control strategy however, after islanding the dq-current which is not able to successfully complete the control task is disabled and a lead-lag control strategy based optimized by simulated annealing is proposed for control of DG unit in islanding mode. Integral of Time multiply by Absolute Error (ITEA) criterion is used as cost function of simulated annealing in order to achieve smooth response and robust behavior. The proposed controller improved robust stability margins of the system. Simulations with different load and input operating conditions verify advantages of the proposed controller in comparison with a previously developed classic controller in terms of robustness and response time.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Distributed Generation
  • Lead-lag control
  • Islanding event
  • Lead
  • lag control
  • robust performance
  • Simulated Annealing

1- مقدمه[1]

منابع تولید انرژی پراکنده شامل تکنولوژی­های متفاوتی مانند فتوولتائیک، پیل سوختی، میکروتوربین، توربین بادی کوچک و ... است. عملکرد هماهنگ و کنترل منابع انرژی پراکنده همراه با بار قابل کنترل و یک منبع ذخیره کننده انرژی مانند باتری و یا خازن ساختار کلی یک ریزشبکه را تشکیل می­دهد[1]. اکثر این منابع تولید پراکنده توسط مبدل الکترونیک قدرت به شبکه متصل می­گردند [2]. ریزشبکه ها باید قادر باشند که هم به صورت متصل به شبکه و هم به صورت مجزا از شبکه (جزیره­ای) کار کنند[3]. تجربه­ها و استانداردهای موجود اجازه عملکرد جزیره­ای تولیدات پراکنده را نمی­دهد و اصلی­ترین دلیل آن به خطر افتادن جان تکنسین­ها بر اثر برقدار باقی ماندن قسمت جزیره­ای است، اما مقرراتی وجود دارد که اجازه عملکرد جزیره­ای را به یک تولید پراکنده )[1](DG و بار مختص آن (در صورتی که جزیره شامل بخشی از شبکه سراسری نباشد) می­دهد و در این زمینه DG مانند یک UPS برای بار عمل می­کند[4]. چالش اصلی عملکرد یک DG با بار محلی در حالت متصل به شبکه و جدا از شبکه این است که این DG باید به یک VSC[2] با تجهیزات کنترلی تجهیز شود که شرایط زیر را برآورده سازد:

  • مبدل باید قادر باشد که ولتاژ و فرکانس باس ریزشبکه را ثابت نگه دارد.
  • VSC  باید بتواند بدون در نظر گرفتن پارامترهای سیستم، بار از پیش تعیین شده را تغذیه کند.
  • کنترل VSC باید از روی فیدبک از بار محلی باشد [4].

در حالت متصل به شبکه از استراتژی کنترل ابتدایی جریانی برای VSC استفاده می­گردد. در این حالت ولتاژ و فرکانس توسط شبکه به شین نقطه اتصال مشترک دیکته می­شود و در این شرایط VSC توان اکتیو و راکتیو را بر اساس مؤلفه جریانی dq تغییر می­دهد [5].

افزودن یک استراتژی کنترل جریان dq برای واحدهای متعدد DG در حالت جریره­ای ریزشبکه، مبتنی بر نمودارهای افت توان راکتیو/ولتاژ و توان اکتیو/فرکانس، روشی است که کارهای قبلی بیشتر بر روی آن پایه­گذاری شده است. کنترل مستقل توان اکتیو و راکتیو برای کمینه کردن حالت گذرا و نگهداری پایداری زاویه ولتاژ و کیفیت ولتاژ چیزی است که در مرجع [6] به آن اشاره شده است. مدل دینامیکی سیگنال کوچک و حالت گذرای ریزشبکه شامل تولیدات پراکنده با واسطه الکترونیکی در مرجع [7] و [8] بحث شده است. در [9] یک روش کنترل کاهشی بر پایه تولید توان راکتیو از روی توالی منفی جریان و توالی مثبت ولتاژ خط پیشنهاد شده است. این روش کنترل Q-_G نامیده می­شود که می­تواند با روش Q_V و P_f نیز استفاده گردد، اما در این روش­ها دینامیک بار به طور مستقیم در داخل مسیر کنترل کننده وارد نمی­گردد. بنابراین، این روش برای تغییرات سریع و یا زیاد بار، پاسخ دینامیکی ضعیفی خواهد داشت و یا حتی ممکن است به ناپایداری ولتاژ و یا فرکانس بینجامد. در مرجع [5]، یک ساختار کنترل بر پایه روش کنترلی کلاسیک برای بهبود رفتار دینامیکی سیستم بیان شده است که این ساختار در ادامه مقاله تشریح خواهد شد.

با توجه به اینکه ریزشبکه های شامل تولیدات پراکنده دارای رفتار غیرخطی هستند و دینامیک آنها همواره در حال تغییر است، به نظر می­رسد برای ایجاد رفتار مناسب در برابر آثار غیرخطی سیستم و تغییرات آن در اطراف نقطه کار، انتخاب و طراحی یک کنترل کننده که باعث به وجود آمدن رفتار مقاوم سیستم شود، مفید خواهد بود. برای رسیدن به چنین کنترل کننده­ای از ساختار کنترلی پیش فاز- پس فاز استفاده خواهیم کرد که پارامترهای آن با استفاده از الگوریتم بازپخت شبیه سازی شده فلزات ([3]SA) و با توجه به معیار مجموع حاصلضرب زمان در سیگنال خطا (ITAE[4]) تنظیم می شوند. 

در این مقاله، طراحی کنترل کننده به صورت یک مساله بهینه­سازی فرمول بندی شده و سپس حل می‌گردد. برای این کنترل کننده در حوزه زمان یک تابع هدف مبتنی بر ITAE تعریف شده و از طریق الگوریتم باز پخت شبیه سازی شده (SA) این تابع هدف بهینه می­گردد. کنترل کننده به دست آمده برای سیستم بیان شده در مرجع [5] پیاده شده و نتایج به دست آمده از این روش با روش همان مقاله مقایسه می­گردد و برتری کنترل کننده پیشنهادی به کنترل کننده بیان شده در مرجع [5] نمایش داده می­گردد.

 

2- سیستم مورد مطالعه

سیستم مورد مطالعه در این مقاله همان سیستم مورد استفاده در مرجع [5] است که دیاگرام تک خطی آن در شکل (1) نمایش داده شده است. در این شکل DG به صورت یک منبع DC و یک VSC نشان داده شده است که توسط یک فیلتر پایین­گذر و یک ترانسفورماتور افزاینده به شبکه سراسری و بار محلی متصل شده است. کل امپدانس مربوط به فیلتر پایین­گذر و ترانسفورماتور با Rt و Lt نمایش داده شده است. پارامترهای این سیستم در جدول (1) بیان شده اند.

 

 

                       

شکل (1): سیستم مورد مطالعه شامل: تولید پراکنده، شبکه سراسری، بار محلی

 

 

این سیستم باید بتواند در حالت متصل به شبکه و حالت قطع از شبکه کار کند. در حالتی که سیستم به شبکه اتصال یافته است، VSC میانی به عنوان یک منبع جریان کنترل شده با ولتاژ عمل می­کند. هنگامی که کلید CB نشان داده شده در شکل(1) باز می­شود، یک حالت جزیره به وجود می­آید که واحد DG بار محلی را تغذیه می­کند. در لحظه باز شدن کلید؛ بسته به این که مقدار بار چقدر باشد ولتاژ و فرکانس شبکه می­تواند افزایش یا کاهش یابد و رو به سمت ناپایداری برود. تنها در صورت بار نامی ولتاژ و فرکانس شبکه تغییر نخواهد کرد که آن هم در صورت تغییر بار ممکن است بازهم به سوی ناپایداری برود.

برای توضیح بیشتر موضوع تابع انتقال خطی شده سیستم در اطراف نقطه کار نامی را که در مرجع [5] به دست آمده است، در نظر می­گیریم:

 

(1)

    

 

    

و:

 

 

    

 

قطب های این سیستم در نقاط 2.33±377.54j- و 107.97±149.98j- قرار دارند. یک جفت از قطب‌ها دارای مقدار حقیقی 2.33-  و نزدیک محور موهومی قرار دارند. در نتیجه، با کوچکترین عدم قطعیت یا تغییر در مشخصات، سیستم ممکن است به سمت ناپایداری برود. پس در لحظه جزیره­ای باید حالت جزیره­ای تشخیص داده شود و کنترل کننده پیشنهادی وارد عمل شده، ولتاژ و فرکانس را برگرداند. استراتژی کنترل کننده پیشنهادی در بخش بعدی بیان می شود. بـرای تشخیـص لـحظه جزیـره ای شـدن هم روش‌های متعددی در مراجع بیان شده است. روش های تزریق جریان [10] ، استفاده از رله های هوشمند [11] و استفاده از روش های مبتنی بر پردازش سیگنال مانند بازشناخت الگو [12] از جمله این روش ها هستند. نحوه تشخیص لحظه جزیره­ای شدن جزو اهداف این مقاله نیست و با فرض اینکه این رویداد توسط یکی از روش های موجود تشخیص داده شده است، تمرکز مطالب مقاله بر روی طراحی کنترل کننده برای سیستم خواهد بود.     

جدول (1): مقادیر پارامترهای مربوط به تولید پراکنده- بار محلی و شبکه

Parameter

Value

R

76.176 Ω

L

111.9 mH

C

62.855 μF

Rs

1 Ω

Ls

10 mH

Rt

1.5 mΩ

Lt

300 μH

VSC rated power

2.5 MW

PWM carrier frequency

1,980 HZ

f0

60 HZ

VSC terminal voltage

600 V

Nominal grid frequency

60 HZ

DC voltage

1500 V

Nominal grid Line-Line voltage

13.8 kV (rms)

Transformer voltage ratio

0.6/13.8 kV

Transformer rated power

2.5 MW

 

3- طراحی کنترل کننده

3-1- الگوریتم بازپخت شبیه سازی شده

در این مقـاله الگوریتم SA (کـه اولیـن بـار توسـط S. Kirkpartick و Cerny در ‎[9][13] و [14] ارایه شد) برای طراحی یک کنترل کننده پیش­فاز- پس­فاز به منظور کنترل اینورتر تولید پراکنده که یک بار محلی را تغذیه می­کند پیشنهاد می­گردد. این الگوریتم برای کارهای مختلفی از جمله پردازش سیگنال و تصویر [15]، مدارهای مجتمع [16] [17] ، تخمین پارامتر [18] و سیستم های حمل و نقل [19] استفاده شده است. الگوریتم SA یک ابزار کارا برای حل مسائل بهینه­سازی است [20]. هدف اصلی در این بخش استفاده از روش الگوریتم SA برای رسیدن به یک کنترل کننده مناسب و بهینه به منظور کنترل تولید پراکنده برای حالت­های مختلف بار است.

عملکرد این الگوریتم بهینه­سازی نیز همانند الگوریتم‌های دیگر براساس روش جستجو در ناحیه مورد نظر است. در ابتدا چندین شرایط اولیه برای شروع الگوریتم در نظر گرفته می­شود [21]. در این الگوریتم، تصمیم­گیری بر اساس انرژی ذرات است. هنگامی یک حرکت در این روش قابل قبول است که ذره از حالت x0 با انرژی E0  به حالت x  با انرژی بالاتر E رفته باشد. اگر نقطه فعلی بهتر از حالت قبل باشد، نقطه فعلی همواره پذیرفته می­شود، اما اگر نقطه فعلی بدتر از نقطه قبل باشد، نقطه فعلی با احتمال زیر پذیرفته می­گردد:

(2)

    

 

که در آن kB ضریب بولتزمن و T دما است. احتمال قبول کردن نقطه بد، زمانی بالا می­رود که انرژی در حالت فعلی پایین­تر از حالت قبل بوده، دما نیز زیاد باشد. در T=0  هرگز شرایط بد پذیرفته نمی شود. در طول این پروسه ، مقدار دما از مقدار اولیه T0 تا دمای صفر بر طبق یک قانون سرد کردن کاهش می­یابد که این به معنای یک الگوریتم جستجوست. این الگوریتم به دلیل آنکه یک الگوریتم بسیار قوی است، می­تواند در یافتن نقطه بهینه بهتر از بقیه الگوریتم­ها باشد. تابع کاهش دما می­تواند متفاوت باشد؛ برای مثال یکی از قوانین سرد کنندگی در این الگوریتم به صورت زیر تعریف می­گردد:

(3)

    

 

که در آن i تعداد تکرار است.

 

3-2- طراحی کنترل کننده پیش فاز- پس فاز

با وجود توسعه خیلی زیاد سیستم­های کنترل و نیز کاربردی شدن انـواع کنترل کننده هـا، در سیستم­های قـدرت

شکل (2): بلوک دیاگرام کنترل کننده پیشنهادی به منظور کنترل تولید پراکنده در شرایط جزیره­ای

هنوز کنترل­کننده­های پیش­فاز- پس­فاز کنترل­کننده­های مطلوب به شمار می­آیند؛ زیرا اجرای این کنترل کننده‌ها بسیار راحت است و نیز در نقاط وسیعی از حوزه عملکرد سیستم، باعث ایجاد رفتار مقاوم می شود [23] [22]. از طرف دیگر، این کنترل کننده­ها به راحتی در سیستم­های آنالوگ و دیجیتال قابل پیاده­سازی هستند. در این مطالعه، کنترل کننده پیش­فاز- پس­فاز برای کنترل یک DG که توسط اینورتر به شبکه متصل شده است، در شرایط جزیره­ای پیشنهاد می­گردد. نمای کلی این کنترل کننده در شکل (2) آمده است. در این استراتژی ابتدا ولتاژ بار اندازه­گیری و به حوزه dq0 برده می­شود. PLL سه فاز برای به دست آوردن مرجع زاویه در تبدیل abc/dq استفاده می شود. زاویه بار در این مطالعه به عنوان ولتاژ مرجع به حساب می‌آید پس مؤلفه q به مقدار 0 تنظیم می­گردد و مؤلفه d باید به مقدار اوج آن برسد. در نتیجه باید مطابق شکل (2) با یک مقدار مرجع vd,ref  مقایسه ­گردد. سیگنال خطای به دست آمده وارد کنترل کننده شده و خروجی کنترل کننده vtd به همراه سیگنال vtq وارد تولید کننده سیگنال گیت برای VSC می­گردد.

در این مقاله تابع تبدیل کنترل کننده در شکل (2) به صورت زیر تعریف می­گردد:

 

(4)

       

 

این کنترل کننده جبرانگر دینامیکی است که شامل دو بلوک کنترل کننده پیش­فاز- پس­فاز  به همراه یک بهره است. پارامترهای قابل تنظیم در آن شامل ضریب K و ضرایب

 

 

شکل (3):شرایط بد بار در شرایط جزیره­ای

 

زمانی T1-T4 است. باید توجه کرد که خطای حالت ماندگار سیستم و نیز شرایط گذرای سیستم به تعیین پارامترهای کنترل کننده وابسته است. برای تنظیم پارامترهای کنترل کننده پیشنهادی به مقادیر بهینه آنها در شرایط جزیره­ای و در بدترین شرایط ممکن بار، الگوریتم SA پیشنهاد می­گردد. شرایط وخیم بار در اینجا به صورت شکل (3) در نظر گرفته شده است که در این شرایط شبکه مقدار 1.43MW (0.572 p.u) توان اکتیو از DG و 710kvar (0.284 p.u) از بار دریافت می­کند.

حال باید مسأله به صورت یک مسأله بهینه­سازی نوشته و حل شود. انتخاب یک تابع هدف مهمترین بخش این مسأله بهینه­سازی را تشکیل می‌دهد؛ چرا که انتخاب توابع هدف مختلف ممکن است مراحل الگوریتم SA و رفتار آن را کاملا تغییر دهد. در مسأله بهینه­سازی مورد نظر در اینجا ما از مجموع حاصلضرب زمان در سیگنال خطا (ITAE) استفاده می­کنیم.

(5)

    

 

که در آن tf انتهای بازه زمانی است که تابع هدف در آن بازه محاسبه می­گردد. تابع هدف ITAE در مقالات متعدد برای رسیدن به یک رفتار مقاوم به کار گرفته شده است (برای مثال، نک. مراجع [26] و [24]). هر مسأله بهینه‌سازی تحت یک تعدادی از قیود بهینه­سازی می­گردد که در این مسأله قیود به صورت زیر بیان می­گردد:

(6)

    

 

که در آن K در بازه [0.01 100] و هر یک از زمان‌ها در بازه [0.01 1] است. این محدوده های زمانی طوری انتخاب شده­اند که ثابت زمانی کنترل کننده با ثابت زمانی سیستم قابل مقایسه باشد. محدود کردن بهره K هم به این علت است که از ناپایداری سیستم در بهره­های بالا اجتناب شود.

با استفاده از الگوریتم SA مسأله بهینه­سازی حل شده و پارامترهای کنترل کننده به صورت زیر به دست می­آید.

 

K=40.5695;T1=0.0127; T2=0.0100; T3=0.0153;T4=.4959

در این مسأله بهینه­سازی تعداد ذرات، بُعد ذرات و تعداد تکرار بترتیب 40، 5، 80 انتخاب گردیده است.

 

3-3- تحلیل پایداری مقاوم

در این بخش با استفاده از معیارهای حاشیه ­فاز و حاشیه بهره پایداری مقاوم سیستم با کنترل کننده پیشنهادی را با کنترل کننده مرجع 5 مقایسه خواهیم کرد. ساختار کنترلی مقاله مرجع [5] مشابه ساختار شکل (2) است که در آن تابع G(s) (به جای کنترل کننده پیش فاز- پس فاز پیشنهاد شده در این مقاله) به صورت زیر انتخاب شده است:

(7)

    

 

مقادیر حاشیه فاز و حاشیه بهره و فرکانس گذر بهره برای سیستم (1) با کنترل کننده های (3) و (7) در جدول (2) نشان داده شده است. با مقایسه این مقادیر مشخص می‌شود که کنترل کننده پیشنهادی حاشیه­های پایداری مقاوم سیستم را تا حد زیادی بهبود بخشیده است. در نتیجه، انتظار می­رود که رفتار سیستم با کنترل کننده (3) پیشنهاد شده در این مقاله

 

جدول 2- پارمترهای پایداری مقاوم با کنترل کننده پیشنهادی و کنترل کننده مرجع [5]

Gain Crossover Freq.

Gain Margin

Phase Margin

 

162 rad/s

¥

78º

کنترل کننده (3) پیشنهاد شده در این مقاله

36.8 rad/s

11.3db

56.2º

کنترل کننده (7) پیشنهاد شده در مرجع [5]

 

رفتار مقاومتری باشد. از طـرفی، با بیش از چهار برابر شدن فرکـانس گذر بهره انتظار پاسخ سریعتری برای سیستم با کنترل کننده پیشنهادی داریم. نتایج شبیه سازی بخش بعد این مطالب را تایید خواهد کرد.

 

4- نتایج شبیه‌سازی

در این بخش، نتایج شبیه­سازی در پنج وضعیت مختلف انجام می­گیرد و نتایج خروجی سیستم با کنترل کننده پیشنهادی با نتایج به دست آمده با کنترل کننده مرجع [5] نیز مقایسه می­گردد.

 

4-1- شرایط بار نامی

در این آزمایش مقادیر مقاومت و سلف و خازن (بار) به مقادیر نامی آنها که در جدول (1) آمده، تنظیم شده است. در ابتدا سیستم در حالت اتصال به شبکه کار می­کند و در ثانیـه t=1s کلیـد CB عـمل کـرده، بـاز می­گـردد و سیستم از شبکه سراسری جدا شده و شرایط جزیره­ای اتفاق می­افتد. در ثانیه t=1.06s شرایط جـزیره­ای تشـخیص داده می‌شود. کنترل کننده جریانی اولیه از مدار خارج می‌گردد و کنترل کننده پیشنهادی وارد عمل می‌گردد. شکل (4) نشان دهنده شکل موج­های ولتاژ و جریان فاز a با کنترل کننده پیشنهادی است. کاملا واضح است که در حالت بار نامی شکل موج­های ولتاژ و جریان تقریبا هیچ حالت گذرایی نخواهند داشت. در این حالت از شبکه، این دو کنترل کننده (پیشنهادی و مرجع [5]) تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند.

 

 

شکل (4): ولتاژ و جریان فاز a با کنترل کننده پیشنهادی در بار نامی  a)ولتاژ فازی بار  b) جریان بار

 

 

شکل (5): دیاگرام تک خطی بار محلی در شرایط بار غیر نامی

 

4-2- بار غیر نامی

در این آزمایش بار محلی مقادیر غیر نامی دارد در حالت اتصال به شبکه، شبکه توان اکتیو 910kW(0.5 p.u.) را از تولید پراکنده جذب می­کند و نیز توان راکتیو 400 kVAR (0.16 p.u)  را از بار می­کشد. پارامترهای تکفاز بار در این حالت در شکل (5) نشان داده شده است. (کلید Sa باز است) شرایط جزیره­ای در ثانیه 1.2 اتفاق می­افتد و پس از مدت زمان 0.008 ثانیه، در ثانیه 1.208 این شرایط تشخیص داده می­شود و کنترل­کننده پیشنهادی وارد می­شود و کنترل­کننده موجود در حالت اتصال به شبکه از مدار خارج می­گردد. نتایج این حالت با کنترل کننده مرجع [5] در شکل (6) و با استفاده از کنترل کننده پیشنهادی در شکل (7) آمده است. در شکل(6) واضح است که پس از جزیره‌ای شدن، ولتاژ بار به شدت )تا حدود (1.4 p.u افزایش پیدا می­کند و پس از آن کنترل کننده مربوط به مرجع [5] وارد عمل شده، ولتاژ را برمی­گرداند. ولتاژ به صورت کامل پس از چهار سیکـل به مقـدار نـامـی خود (1 p.u) بـرگشته است.

 

شکل (6): ولتاژ و جریان فاز a با کنترل کننده مرجع [5] در بار غیر نامی a) ولتاژ فازی بار         b) جریان بار

 

 

شکل (7): ولتاژ و جریان فاز a با کنترل کننده پیشنهادی در بار غیر نامی a) ولتاژ فازی بار            b) جریان بار

 

با دقت به شکل (7) واضح است که عملکرد کنترل کننده پیشنهادی در این مقاله مطلوب­تر است. ولتاژ در این حالت تا حدود 1.15 p.u افزایش پیدا کرده و پس از دو سیکل برگشته است و مقدار آن در 1 p.u تثبیت شده است. این شکل موج­ها قوام عملکرد و کارایی کنترل کننده پیشنهادی را در مقابل کنترل کننده مرجع [5] نشان می­دهد.

4-3- تغییرات بار در حالت جزیره­ای

در این آزمایش سیستم در ابتدا در حالت جزیره کار می­کند و یک دفعه در ثانیه t=1.5s ، مقداری بار به شبکه اضافه می­گردد. مشخصات این بار در شکل(5) آمده است. تا ثانیه t=1.5s کلید Sa باز است و کلید یکدفعه بسته می‌شود. شکل(8) پاسخ کنترل کننده مرجع [5] به این تغییرات بار است. با توجه به شکل مشخص است که این سیستم پاسخ گذرای زیادی دارد و تقریبا پس از پنج سیکل به حالت ماندگار رسیده و به این تغییرات بار پاسخ داده است.

 

 

شکل (8): ولتاژ و جریان فاز a با کنترل کننده مرجع [5] در تغییرات بار a)ولتاژ فازی بار           b) جریان بار

 

شکل (9): ولتاژ و جریان فاز a با کنترل کننده پیشنهادی در تغییرات بار a)ولتاژ فازی بار             b) جریان بار

 

اما شکل (9) مربوط به کنترل کننده پیشنهادی در این مقاله است که زمان پاسخ گذرا به کمتر از یک سیکل کاهش یافته است. مشخص است که این پاسخ نسبت به پاسخ مربوط در شکل (8) بسیار بهتر است و پس از تغییر بار، ولتاژ تغییر اندکی داشته است که سریعا به حالت ماندگار رسیده است. مقایسه در این حالت از شبکه نیز عملکرد بهتر کنترل کننده پیشنهادی در این مقاله را نشان می­دهد.

 

4-4- ردیابی ولتاژ

در این سناریو پاسخ سیستم در برابر تغییرات سیگنال مرجع بررسی می شود. فرض کنید که سیستم در شرایط جزیره­ای قرار دارد و تحت شرایط بار نامی (جدول 1) کار می­کند. در زمانt=1.5s  سیگنال مرجع ولتـاژ به صورت پله ای از 1.0 p.u به 0.85 p.u کاهش می یابد. شکل های (10) و (11) پاسخ سیستم به این تغییر را به ترتیب با کنترل کننده مرجع [5] و کنترل کننده پیش­فاز- پس­فاز پیشنهادی نشان می­دهند.

 

شکل (10): ولتاژ و جریان فاز a با کنترل کننده مرجع [5]  بازای تغییرات سیگنال مرجع ولتاژ

a) ولتاژ فازی بار            b) جریان بار

شکل (11): ولتاژ و جریان فاز a با کنترل کننده پیشنهادی بازای تغییرات سیگنال مرجع ولتاژ

a) ولتاژ فازی بار            b) جریان بار

در اینجا هم مشخص است که پاسخ سیستم با کنترل کننده پیشنهادی از نظر شکل و زمان پاسخ گذرا بهتر است.

 

4-5- بار نامتعادل

در این بخش از مطالعات، پاسخ سیستم به بار نامتعادل بررسی می شود. در ابتدا سیستم در حالت جزیره‌ای و با مقادیر بار بیان شده در جدول (1) کار می­کند. در زمان 1.5s باری نامتعادل مطابق شکل(12) با بسته شدن کلیدهای Sa، Sb و Sc وارد شبکه می­گردد. پاسخ دینامیکی به این بار در شکل های (13) و شکل (14) نشان داده شده است. شکل(13) پاسخ دینامیکی سیستم با کنترل کننده مرجع [5] را نشان می­دهد که شکل (13-a) مربوط به ولتاژ خروجی فازهای a ،b و c و شکل (13-b) مربوط به جریان­های خروجی فازهای a ،  b و c است. در شکل(14)  

 

شکل (12): بار سه فاز در شرایط نامتعادل

 

 

شکل (13): ولتاژ و جریان سه فاز در شرایط نامتعادلی بار با کنترل کننده [5]

a)ولتاژ فاز بار              b) جریان بار

 

 

شکل (14): ولتاژ و جریان سه فاز در شرایط نامتعادلی بار با کنترل کننده پیشنهادی

a)ولتاژ فاز بار               b) جریان بار

 

نیز پاسخ دینامیکی سیستم با کنترل کننده پیشنهادی آمده است که در اینجا نیز شکل (14-a) نشان دهنده ولتاژ خروجی سه فاز و شکل (14-b) نشان دهنده جریان­های خروجی سه فاز است. در اینجا نیز با مقایسه این شکل موج­ها مشاهده می­گردد که بازهم خروجی به ازای کنترل کننده پیشنهادی بهتر از پاسخ کنترل کننده مرجع [5] است. در شکل (13) زمان گذرا بیشتر از سه سیکل طول کشیده است، در حالی که این زمان در شکل (14) کمتر از دو سیکل است؛ در عین حال که افت ولتاژ در حالت گذرای شکل (13) بیشتر از شکل (14) است.   

 

5- نتیجه گیری

کنترل کننده­های جریانی dq قادر به کنترل DG در حالت جزیره­ای نیستند. در نتیجه، لازم است در حالت جزیره­ای کنترل کننده دیگری سیستم تولید پراکنده را کنترل کند. این کنترل کننده باید رفتار مقاوم از خود بروز دهد؛ به گونه­ای که در برابر تغییرات پارامترها و نایقینی ها، سیستم حلقه بسته از رفتار مناسب خود انحراف زیادی نداشته باشد. لذا در این مقاله یک کنترل  کننده جدید پیشنهاد شد که به دو قرینه دارای رفتاری مقاوم است:

1-        استفاده از ساختار پیش­فاز- پس­فاز که یک ساختار کنترلی کلاسیک مقاوم است.

2-        استفاده از معیار ITAE به عنوان تابع هدف شناخته شده برای ایجاد رفتار مقاوم برای تنظیم ضرایب کنترل کننده.

ضرایب کنترل کننده پیشنهادی به وسیله الگوریتم بازپخت شبیه سازی شده فلزات (SA) به صورت بهینه تنظیم شدند. در حل این مسأله، ابتدا مسأله به یک مسأله بهینه­سازی که تابع هدف آن در حوزه زمان و  به صورت معیار ITAE تعریف گردید، نوشته شد و سپس مسأله با استفاده از الگوریتم SA حل گردید.

کنترل کننده پیشنهادی توانست حاشیه های پایداری مقاوم سیستم را تا حد زیادی ارتقا دهد. همچنین، کنترل کننده پیشنهادی حالت گذرای ولتاژ و جریان را در شرایط جزیره­ای بهبود بخشید و در مقابل تغییرات مختلف در نقطه کار، شرایط بار و مقدار ورودی رفتار مناسبی از خود بروز داد. این ادعا با شبیه­سازی سیستم در حوزه زمان و در نرم افزار PSCAD/EMTDC با انجام آزمایش های مختلف تایید گردید.



[1]



\

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

[1]     Jiayi H, Chuanwen J, Rong X, “A Review on Distributed Energy Resources and MicroGrid”. Renewable and Sustainable Energy Reviews; Vol 12, No 9,  pp 2472–2483, 2008

[2]     Nikkhajoei H., Iravani R., “Steady-State Model and Power Flow Analysis of Electronically-Coupled Distributed Resource Units”. IEEE Trans. Power Del; Vol. 22 No 1, pp. 721-728, 2007

[3]     Sao C.K., Lehn P.W., “Control and Power Management of Converter Fed Microgrids”, IEEE Trans. Power Systems, Vol 23, No 3, pp. 1088-1098, 2008

[4]     Chen C. L., Wang. Y., Lai, J. S., Lee  Y. S. “Design of Parallel Inverters for Smooth Mode Transfer Microgrid Applications”, IEEE Trans. Power Electron, Vol. 25, No 1, pp 6-15, 2010

[5]     Karimi H., Nikkhajoei H,, Iravani R., “Control of an Electronically-Coupled Distributed Resource Unit Subsequent to an Islanding Event”, IEEE Trans. Power Del; Vol. 23, No. 1, pp. 493-501, 2008.

[6]     Katiraei F., Iravani M. R., Lehn P.W. ,” Micro-Grid Autonomous Operation During and Subsequent to Islanding Process”. IEEE Trans. Power Del; Vol 20 No 1, pp. 248-257., 2005

[7]     Katiraei F., Iravani M. R.. “Power Management Strategies for a Microgrid with Multiple Distributed Generation Units”.  IEEE Trans. Power Systems; Vol. 21 No 4, pp. 1821-1831, 2006

[8]     Katiraei F., Iravani M. R. and Lehn P.W., “Small-signal Dynamic Model of a Micro-grid Including Conventional and Electronically Interfaced Distributed Resources”,. IET Gener. Transm.  Distrib; Vol. 1, No 3, pp. 369–378, 2007

[9]     Cheng P. T., Chen C. A., Lee T. L. and Kuo S.Y., “A Cooperative Imbalance Compensation Method for Distributed-Generation Interface Converters”, IEEE Trans. Ind. Appl; Vol 45, No 2, pp. 805-815, 2009

[10]     Karimi H., Yazdani A. and Iravani R., “Negative-sequence Current Injection for Fast Islanding Detection of a Distributed Resource Unit”, IEEE Trans. Power Electron., Vol. 23, No. 1, pp. 1698–1705, 2008

[11]     Heidari Orejloo M., Seifossadat G., Gharibreza E., "Design and Simulation of Intelligent based Relay for Power Islanding Detection", Computational Intelligence in Electrical Engineering, Vol. 2, No 3, pp. 67-78 2011

[12]     Lidula A., N. W., and Rajapakse, A. D., ”Pattern-recognition Approach for Detecting Power Islands using Transient Signals” Parts, I & II, IEEE Trans. on Power Delivery, Vol. 27, No 3, 2012

[13]     Kirkpatrick S.,  Gelatt C. D.,  Vecchi, M. P., "Optimization by Simulated Annealing", Science, Vol 220, No 4598,  pp. 621-630. 1983

[14]     Cerny V., “Thermodynamical Approach to the Traveling Salesman Problem: An Efficient Approach”,  Journal of Optimization Theory and Applications, Vol. 45, No. 1, pp 41-51, 1985

[15]     Carnevali P., Coletti L., Patarnello S., “Image Processing by Simulated Annealing”, IBM Journal of Research and Development, Vol. 29, No 6, pp. 569-579, 1985

[16]     Darema F., Kirkpatrick S., Norton V. A., “Parallel Algorithms for Chip Placement by Simulated Annealing”, IBM Journal of Research and Development, Vol. 31, No 3, pp. 391 – 402, 1987

[17]     Chandy J. A,  Banerjee P., “Parallel Simulated Annealing Strategies for VLSI Cell Placement”, In Proc. 9th Int. Conf. on VLSI Design, Bangalore – India, 1996

[18]     Gonzalez O. R., Küper C., Jung K., Naval Jr P. C. and Mendoza E., “Parameter Estimation using Simulated Annealing for S-system Models of Biochemical Networks”, Bioinformatics, Vol. 23, No 4, pp. 480-486, 2007

[19]     Dowsland K. A., Soubeiga E.  and Burke E., “A Simulated Annealing Based Hyperheuristic for Determining Shipper Sizes for Storage and Transportation”, European Journal of Operational Research Vol. 179, No 3, pp 759-774, 2007

[20]     Fleischer M., “Simulated Annealing: Past, Present, and Future", Proc. of the 1995 Winter Simulation Conference, Department of Engineering Management, Old Dominion University, Norfolk, VA, 1995

[21]     Goffe W. L., Ferrier G. D., Rogers J., “Global Optimization of Statistical Functions with Simulated Annealing”, Journal of Econometrics Vol. 60, No 1, pp. 65-99, 1994

[22]     Shayeghi H., Shayanfar H. A., Safari A., Aghmasheh R., “A robust PSSs Design using PSO in a Multi-machine Environment” Energy Conversion and Management Vol. 51, No 4 pp. 696–702, 2010

[23]     Shahriari Kahkeshi M., Bijami E., Sheikholeslam F., Zekri M., Maghfoori  Farsangi M., "Power System Stabilizer Design for Damping Power System Low Frequency Oscillations based on Fuzzy Wavelet Neural Network", Computational Intelligence in Electrical Engineering, Vol. 1, Number 1, pp. 1-22, 2011

[24]     Huang Y., Yu Y. F. and Sun L., “ITAE Controller Design and Simulation for Electric Load Simulator Based on Genetic Algorithm”. Journal of Astronautics, Vol. 5, 2008

[25]     Zhang J., Wang X. and Guo F., “Radial Suspension Control of Magnetic Bearing Switched Reluctance Motor Based on the ITAE Optimization”. In 15th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), pp. 1-6, 2012

Taher S. A., Nosratabadi S. M., Shibani M. R., " Optimal Load Frequency Control Method Using Artificial Bee Colony Algorithm in Deregulated Power Systems Including SMES", Computational Intelligence in Electrical Engineering,Vol. 1,