نوع مقاله : مقاله پژوهشی فارسی
نویسندگان
1 دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
2 دانشیار، دانشکده مهندسی برق، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
چکیده
کلیدواژه‌ها
موضوعات
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Accurate power sharing and DC bus voltage regulation are among the fundamental challenges in the control of DC microgrids. Although the droop control method is simple and effective, it suffers from limitations in selecting droop coefficients, which can lead to either increased bus voltage deviation or power sharing errors. In addition, the presence of constant power loads (CPLs), due to their negative incremental resistance behavior, can cause severe voltage oscillations and result in system instability. In this paper, a distributed secondary control strategy is proposed to compensate for voltage deviation, optimize power distribution, and enhance system stability in the presence of CPLs. The proposed method integrates bus voltage recovery and economic load sharing by using a cost function-based optimization approach to optimally regulate the power output of distributed energy resources. Simulations are performed in the MATLAB/SIMULINK environment on a DC microgrid with multiple distributed generators. The results demonstrate that the proposed method not only improves bus voltage stability and mitigates voltage oscillations caused by CPLs but also achieves optimal and economic power sharing. Furthermore, the method exhibits fast convergence, ease of implementation, and considers line losses.
کلیدواژه‌ها [English]
در سال‌های اخیر، با رشد روزافزون تقاضای انرژی و نیاز به منابع انرژی پایدار، استفاده از ریزشبکه‌ها به عنوان یک راهکار نوین برای مدیریت انرژی در سیستم‌های قدرت مورد توجه قرار گرفته است. ریزشبکه‌ها مجموعه‌ای از منابع تولید پراکنده، بارها و تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی هستند که به صورت محلی عمل می‌کنند و می‌توانند به صورت مستقل یا متصل به شبکۀ اصلی فعالیت کنند. این سیستم‌ها به دلیل قابلیت انعطاف‌پذیری، پایداری و بهبود کیفیت توان، جایگاهی ویژه در سیستم‌های قدرت آینده یافته‌اند. در شکل (1) یک نمونه از ساختار ریزشبکۀ DC نشان داده شده است ]1، 2، 3، 4[.
در میان انواع ریزشبکه‌ها، ریزشبکه‌های DC به دلیل مزایایی همچون کاهش تلفات توان، سازگاری بهتر با منابع انرژی تجدیدپذیر و ساده‌تربودن طراحی کنترل، در مقایسه با ریزشبکه‌های AC بیشتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. این نوع ریزشبکه‌ها به دلیل ماهیت مستقیم خود، نیاز به تبدیل‌های مکرر انرژی را کاهش می‌دهند که این امر موجب افزایش بازدهی کلی سیستم می‌شود. علاوه بر این، استفاده از منابع تجدیدپذیر همچون پنل‌های خورشیدی و باتری‌ها در ریزشبکه‌هایDC، به کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و افزایش استفاده از انرژی پاک کمک می‌کند] 3، 4، 5[.
شکل (1): ساختار یک ریزشبکۀ DC ]4[
با این حال، بهره‌برداری از ریزشبکه‌های DC با چالش‌هایی متعدد همراه است که از جملۀ مهم‌ترین آنها می‌توان به تقسیم توان مناسب بین منابع تولیدی، جبران افت ولتاژ باس و کمینه‌کردن هزینۀ تولید توان اشاره کرد. حضور بارهای توان ثابت نیز یکی از عواملی است که پیچیدگی عملکرد این سیستم‌ها را افزایش می‌دهد. بارهای توان ثابت، برخلاف بارهای مقاومتی، تمایل دارند توانی مشخص را از سیستم جذب کنند، حتی اگر ولتاژ تغییر کند. این رفتار ممکن است به بروز ناپایداری‌های دینامیکی و افت شدید ولتاژ باس منجر شود. برای حل و برطرف کردن این مشکلات و چالش‌ها، روش‌هایی متعدد پیشنهاد شده‌اند که این روش‌ها به سه دستۀ کلی کنترل متمرکز[i]، کنترل غیرمتمرکز[ii] و کنترل توزیع‌شده[iii] دسته‌بندی می‌شوند ] 6، 7[.
در کنترل متمرکز، یک واحد مرکزی وظیفۀ جمع‌آوری اطلاعات از تمام منابع تولید، بارها و مبدل‌ها را به عهده دارد و تصمیم‌های کنترلی را برای عملکرد بهینۀ کل سیستم اتخاذ می‌کند. با این حال، یکی از معایب اصلی این روش کنترلی وابستگی زیاد به کنترل‌کنندۀ مرکزی است که در صورت خرابی یا مشکل، کل سیستم را تحت تأثیر قرار می‌دهد ] 8، 9، 10 [.
در روش کنترل غیرمتمرکز، هر منبع تولید پراکنده به طور مستقل و بدون نیاز به هماهنگی با یک کنترل‌کنندۀ مرکزی عمل می‌کند. در این روش، هر واحد بر اساس اطلاعات محلی خود، مانند ولتاژ یا جریان در نقطۀ اتصال، تصمیم‌گیری می‌کند. از مزایای این روش کنترلی کاهش وابستگی به یک نقطۀ مرکزی است که باعث افزایش انعطاف‌پذیری و قابلیت اطمینان در برابر خرابی‌ها می‌شود. با این حال، به دلیل عدم وجود هماهنگی مستقیم بین واحدها، دست‌یابی به عملکرد بهینۀ کل سیستم دشوارتر است و باعث توزیع نامتناسب توان و افت ولتاژ می‌شود] 11، 12، 13 [.
کنترل توزیع‌شده در ریزشبکه‌های DC روشی پیشرفته برای مدیریت واحدهای تولید پراکنده است که در آن هر واحد قادر است به صورت محلی تصمیم‌گیری کند و بدون نیاز به یک کنترل‌کنندۀ مرکزی، عملیات خود را مدیریت کند. در این روش، واحدهای تولید پراکنده از طریق تبادل اطلاعات با واحدهای همسایۀ خود، هماهنگی لازم را برای تحقق اهداف کل سیستم مانند تثبیت ولتاژ باس، تقسیم بهینۀ توان و کاهش تلفات شبکه ایجاد می‌کنند.
برخلاف کنترل متمرکز که در آن تمامی تصمیم‌ها توسط یک مرکز کنترل واحد اتخاذ می‌شوند و در صورت بروز مشکل در مرکز، کل سیستم آسیب‌پذیر می‌شود، و همچنین، برخلاف کنترل کاملاً غیرمتمرکز که در آن هر واحد بدون هماهنگی با دیگر واحدها عمل می‌کند و ممکن است بهینه نباشد، کنترل توزیع‌شده مزایای هر دو رویکرد را ترکیب می‌کند. این روش ضمن کاهش وابستگی به یک نقطۀ مرکزی، انعطاف‌پذیری زیادی در برابر تغییرات بار و شرایط شبکه ارائه می‌دهد.
علاوه بر این، کنترل توزیع‌شده قابلیت مقیاس‌پذیری زیادی دارد و می‌تواند به‌راحتی با افزودن واحدهای جدید یا تغییرات در ساختار شبکه سازگار شود. این ویژگی به ویژه در ریزشبکه‌های DC مدرن اهمیت ویژه دارد که شامل منابع انرژی تجدیدپذیر با تولید متغیر و بارهای پویا هستند. در نهایت، با بهره‌گیری از کنترل توزیع‌شده، ریزشبکه می‌تواند به صورت پایدار و اقتصادی عمل کند، در حالی که نیاز به ارتباطات گسترده یا زیرساخت‌های پیچیدۀ مرکزی کاهش می‌یابد ] 14، 15 [.
روش‌های کنترلی به شکل سلسله‌‌مراتبی طراحی و اجرا می‌شوند، به طوری که در هر سطح از ساختار کنترلی می‌توان از راهبردهای متمرکز، غیرمتمرکز، یا توزیع‌شده بهره برد. یکی از روش‌های متداول در ریزشبکه‌های DC، کنترل افتی[iv] است. این روش با ارائۀ یک ساختار غیرمتمرکز، امکان توزیع بار بین منابع مختلف را بدون نیاز به ارتباطات پیچیده[v] فراهم می‌کند. با این حال، کنترل افتی دارای محدودیت‌هایی مانند افت ولتاژ باس و انحراف از توان بهینه است که می‌تواند کارایی سیستم را کاهش دهد ] 16، 17، 18 [.
برای جبران این محدودیت‌ها، استفاده از کنترل ثانویه ضروری است. کنترل ثانویه به عنوان یک لایۀ کنترلی بالاتر، امکان بازیابی ولتاژ باس، جبران افت ولتاژ و بهبود شرایط بهینۀ سیستم را فراهم می‌کند.
مراجع] 19، 20، 21 [ یک روش کنترل توزیع‌شده برای کمینه‌کردن هزینه‌های تولید و بهینه‌سازی تقسیم بار بین DGها در ریزشبکه‌های DC جزیره‌ای ارائه می‌کنند. با استفاده از یک پروتکل اجماع پویا[vi]، امکان پخش بار اقتصادی بدون کنترل‌کنندۀ مرکزی، بهبود قابلیت اطمینان را فراهم می‌کند. با این حال، عملکرد آن ممکن است تحت تأثیر تاخیرهای ارتباطی و دقت برآورد هزینه باشد. مراجع ]22، 23، 24 [راهبردی را ارائه می‌دهند که بازیابی ولتاژ را بهبود می‌بخشد و تقسیم جریان قابل تنظیم را در ریزشبکه‌های DC امکان‌پذیر می‌کند. در این مراجع، برای دست‌یابی به تقسیم جریان منعطف، از یک بهرۀ افتی متغیر با زمان[vii] و «افت ولتاژ مجازی»[viii] استفاده می‌شود. این مطالعه همچنین تأثیر تأخیرهای زمانی را بر عملکرد کنترل بررسی می‌کند. در مرجع [25]، یک روش کنترل PI متمرکز برای حذف انحراف ناشی از کنترل افت پیشنهاد شده است. با این حال، کنترل متمرکز به پهنای باند ارتباطی زیادی نیاز دارد و پیچیدگی مرکز محاسبات را افزایش می‌دهد. بدتر از آن، خرابی مرکز کنترل باعث از بین رفتن کل سیستم می‌شود.
مراجع] 26، 27 [ یک طرح کنترل ثانویۀ توزیع‌شده برای تنظیم ولتاژ و تقسیم بهینۀ توان در ریزشبکه‌های DC جزیره‌ای ارائه می‌کنند. در این مراجع، با استفاده از یک الگوریتم اجماع میانگین پویا، بازیابی ولتاژ و توزیع توان دقیق بدون کنترل‌کنندۀ مرکزی انجام می‌شود و قابلیت اطمینان افزایش می‌یابد. همچنین، در مرجع] 28[، برای تقسیم توان از الگوریتم اجماع در حلقۀ ثانویه استفاده می‌شود که در آن برای تنظیم پارامترهای سیستم کنترلی از روش اجتماع ذرات استفاده می‌شود.
در مقالۀ حاضر، برای حل مشکلات تنظیم ولتاژ و تقسیم بهینۀ توان از کنترل ثانویۀ توزیع‌شده استفاده می‌شود. نوآوری‌های مقاله به شرح زیر هستند:
1) بهینه‌سازی تقسیم توان با در نظر گرفتن تلفات خط و 2) تقسیم توان بهینه با در نظر گرفتن اثر حضور بار توان ثابت، با هدف تقسیم بهینۀ توان بین منابع تولید پراکنده بیان می‌شود. از جملۀ ویژگی‌های مهم این روش‌ها می‌توان به سهولت در اجرا، عدم وابستگی به اطلاعات بار، سازگاری با حضور بارهای توان ثابت و توزیع توان میان منابع تولید پراکنده بر اساس هزینۀ تولید هر منبع اشاره کرد که موجب برتری قابل ملاحظۀ آنها در مقایسه با روش‌های سنتی شده است.
در ادامۀ مقاله در بخش 2، مسئلۀ مورد مطالعه و اهداف کنترلی بیان می‌شوند. در بخش 3، روش کنترل پیشنهادی ارائه می‌شود که بر مبنای تقسیم بهینۀ توان با در نظر گرفتن تلفات خطوط و توزیع بار اقتصادی است. در بخش 4، فرایند مدل‌سازی بار توان ثابت در چارچوب روش پیشنهادی تشریح شده است. نتایج شبیه‌سازی به منظور ارزیابی عملکرد روش پیشنهادی در بخش 5 ارائه و در نهایت، نتیجه‌گیری در بخش 6 بیان می‌شود.
منابع تولید DC مطابق شکل (2)، همان‌طور که نشان داده شده است، به وسیلۀ N مبدل به باس DC متصل شده‌اند. به منظور تقسیم توان بین منابع تولید، از روش افتی استفاده می‌شود. روش افتی دارای محدودیت‌هایی است که در ابتدا این محدودیت‌ها را بررسی می‌کنیم. سپس، سطحی دیگر از کنترل که مربوط به کنترل‌کنندۀ پیشنهادی مبتنی بر اصلاح مشخصۀ افتی و تقسیم توان با در نظر گرفتن پخش بار اقتصادی است، شرح داده خواهد شد.
شکل (2): نمونۀ یک ریزشبکه
مطابق شکل (2)، رابطۀ بین ولتاژ خروجی و ولتاژ باس به صورت زیر است:
که در آن، مقاومت خط انتقال بین خروجی مبدل i و باس DC، جریان و ولتاژباس DC است. برای مبدل i، با تنظیم مناسب کنترل حلقۀ بستۀ دوگانۀ ولتاژ و جریان، ولتاژ خروجی می‌تواند به‌سرعت مقدار ولتاژ مرجع را دنبال کند؛ یعنی به برسد. رابطۀ بین ولتاژ مرجع و مقدار نامی ولتاژ باس تحت کنترل افتی به صورت زیر است:
|
(2) |
i=1,…,N |
که در آن، ضریب افتی، ولتاژ نامی باس DC، ولتاژ مرجع مبدل i، جریان خروجی مبدل‌ها و N تعداد مبدل‌هاست. مقاومت افتی و ولتاژ باس DC نیز از روابط زیر به دست می‌آید:
از رابطۀ (4)، می‌توان نتیجه گرفت کنترل افتی باعث انحراف ولتاژ باس از مقدار نامی می‌شود. همچنین، تقسیم توان (جریان) بین مبدل‌ها به مجموع ضرایب افتی و مقاومت خطوط وابسته است و تفاوت در مقدار مقاومت خطوط باعث ایجاد خطا در تقسیم توان می‌شود. اگر مقدار ضرایب افتی بسیار بزرگ در نظر گرفته شود، انحراف ولتاژ بار زیاد و خطای تقسیم توان کم می‌شود و برعکس، اگر مقدار ضرایب افتی بسیار کوچک در نظر گرفته شود، انحراف ولتاژ بار کم و خطای تقسیم توان زیاد می‌شود. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت روش افتی به‌تنهایی نمی‌تواند به اهداف تنظیم ولتاژ و تقسیم توان دست یابد. به همین منظور، باید کنترل‌کنندۀ دیگری در سطح ثانویه طراحی شود تا بتوان مسائل موجود را حل کرد.
تخصیص توان در بیشتر پژوهش‌های گذشته بر اساس ظرفیت DGها انجام می‌شده است و هرچه ظرفیت بیشتر باشد، توان بیشتری تخصیص داده می‌شود. با این حال، ظرفیت زیاد به این معنا نیست که هزینۀ تولید توان کمتر باشد. برای این منظور، هدف کنترلی این پژوهش برطرف‌کردن محدودیت‌های روش افتی است. این روش بازیابی ولتاژ باس به مقدار ولتاژ نامی و کمینه‌کردن هزینۀ کل تولید توان را تحقق می‌بخشد. این هدف با طراحی یک کنترل ثانویۀ محقق می‌شود که بعداً بیان خواهد شد. رابطۀ مربوط به هدف کنترل پیشنهادی با یک تابع هدف و دو قید طبق رابطۀ (5) مشخص شده است:
که در آن، و به ترتیب هزینۀ تولید توان و توان بهینۀ DG iام هستند، مجموع بارها و توان مصرفی بار است. رابطۀ (5) نشان‌دهندۀ بهینه‌سازی هزینۀ تولید با توجه به قیود موجود است. با حل این مسئلۀ بهینه‌سازی، ولتاژ باس به مقدار نامی خود همگرا و همچنین، هزینۀ تولید کل توان، با در نظر گرفتن قیود موجود، کمینه می‌شود.
روش پیشنهادی مبتنی بر تقسیم توان با در نظر گرفتن تلفات خط و توزیع بار اقتصادی بررسی می‌شود و هدف کنترلی که در معادلۀ (5) بیان شده است را تحقق می‌بخشد. بلوک دیاگرام روش پیشنهادی در شکل (3) نشان داده شده است.
همان‌طور که در شکل (3) مشاهده می‌شود، مبدل‌ها توسط دو کنترل‌کننده کنترل می‌شوند: کنترل‌کنندۀ اولیه که شامل کنترل حلقۀ بستۀ ولتاژ و جریان و کنترل افتی است و وظیفۀ تقسیم توان را به عهده دارد و کنترل‌کنندۀ ثانویه که وظیفۀ بازیابی ولتاژ و بهینه‌سازی تقسیم توان بر اساس هزینۀ تولید را به عهده دارد. همان‌طور که از رابطۀ (4) مشاهده شد، کنترل افتی باعث انحراف ولتاژ باس از مقدار مرجع می‌شود.
در نتیجه، کنترل ثانویه که حاوی پارامتر است، به مشخصۀ افتی اضافه می‌شود. پارامتر کنترلی شامل دو بخش است که بخش اول وظیفۀ بازیابی ولتاژ (G) و بخش دوم وظیفۀ کمینه‌کردن هزینۀ تولید (L) را به عهده دارد. در این شکل، سطح ثانویه برای ژنراتور j و i دلخواه ترسیم شده است که با هم ارتباط دارند. همچنین، سطح اولیه برای ژنراتور دلخواه i نشان داده شده است.
شکل (3): بلوک دیاگرام روش پیشنهادی کنترل سطح اولیه و ثانویه
از روابط (6) و (7)، ولتاژ مرجع i و ولتاژ باس به دست می‌آید:
در ادامه، را طراحی و تحلیل می‌کنیم. اگر توان خروجی باشد، می‌توان آن را به صورت رابطۀ زیر بیان کرد:
هدف در مسئلۀ توزیع اقتصادی کمینه‌کردن هزینۀ کلی تولید است که به عنوان تابعی از خروجی نیروگاه تعریف می‌شود. در این مقاله، فرض می‌شود توان مورد نیاز توسط منابعی تأمین می‌شود که تابع هزینۀ آنها توسط رابطۀ (9) تأمین می‌شود (در واقع، خروجی این منابع توسط مبدل‌ها به جریان DC تبدیل می‌شود) ]29[:
در روابط بالا، و و ضرایب تابع هزینه هستند.
مسئلۀ بهینه‌سازی رابطۀ (9) را می‌توان با استفاده از شرایط کوهن-کان-تاکر[ix] یا همان ضریب لاگرانژ به دست آورد [26، 29]. روش این حل در ادامه شرح داده خواهد شد:
با حل مسئلۀ بهینه‌سازی در رابطۀ (11)، توان بهینۀ تولیدی ژنراتور () تعیین می‌شود و سپس، جریان بهینۀ تولیدی برای هر ژنراتور () از رابطۀ زیر به دست می‌آید:
پارامتر کنترل‌کنندۀ ثانویۀ که در رابطۀ (6) به آن نیاز است، از رابطۀ زیر تعیین می‌شود ]29[:
در رابطۀ بالا، دو ضریب افزایشی[x] هستند [26، 29]. انتخاب و طراحی پارامتر کنترلی بر این نکته استوار است که اولاً، خطای ولتاژ باس را به صفر برساند و ثانیاً، کل هزینۀ تولید توان را نیز کمینه کند. بر این اساس، هدف استفاده از جملۀ اول این است که ولتاژ باس به ولتاژ نامی همگرا شود و پس از زمان بی‌نهایت به آن برسد. همچنین، برای اینکه هزینۀ توان تولیدشده توسط ژنراتورهای پراکنده کمینه شود، هزینۀ نموی دو ژنراتور (i, j) که با هم ارتباط دارند، با یکدیگر مقایسه شده است. این رابطه با مشخص می‌شود که به صورت زیر بیان می‌شود:
4- مدل‌سازی بار توان ثابت در روش پیشنهادی
برای تحلیل و ارزیابی پایداری ریزشبکه در شرایط بار توان ثابت، ابتدا مدل‌سازی بار توان ثابت توضیح داده می‌شود. بار توان ثابت برای اینکه توان خروجی خود را ثابت نگه دارد، جریان ورودی خود را افزایش یا کاهش می‌دهد که باعث کاهش یا افزایش ولتاژ ورودی می‌شود و این امر موجب نوسان در ولتاژ باس DC می‌شود. بنابراین، بار توان ثابت به دلیل ایجاد مقاومت نموی منفی، موجب عدم پایداری ریزشبکۀ DC می‌شود. در شکل (4)، مدل بار توان ثابت غیرخطی نشان داده شده است. در این مدل، بار توان ثابت به عنوان یک منبع جریان وابسته به ولتاژ نشان داده می‌شود ] 29، 30[.
برای استفاده از روش‌های کنترل خطی و ارزیابی پایداری در شرایط بار توان ثابت، به تعیین مدل خطی یک بار توان ثابت غیرخطی نیاز است. برای این کار، مدل غیرخطی بار بالا را حول نقطۀ کار و خطی می‌کنیم ]30[.
شکل (4): الف- دیاگرام مبدل بوست؛ ب- مدل بار توان ثابت متصل به مبدل بوست با مقاومت R
شکل (5): مشخصۀ جریان برحسب ولتاژ در بار توان ثابت ]31[
همچنین، برای خروجی مبدل می‌توان رابطۀ زیر را بار بیان کرد:
حال، اگر بار از نوع توان ثابت باشد، با مشتق‌گرفتن از رابطۀ (14) می‌توان به رابطۀ زیر رسید:
برای نقطۀ کار می‌توان را بدست آورد که در آن، و به ترتیب ولتاژ بار و جریان بار در نقطۀ کار هستند. با توجه به شکل (5)، نمودار ولتاژ جریان یک بار توان ثابت را می‌توان به صورت یک خط راست مماس بر نمودار حول نقطۀ کار تقریب زد [32، 33، 34]. با استفاده از نقطۀ کار () و شیب منحنی شکل (5) در نقطۀ کار، معادلۀ این خط به صورت زیر تعیین می‌شود:
همان‌طور که از معادلۀ (16) مشاهده می‌شود، بار توان ثابت را می‌توان با یک مقاومت منفی موازی با یک منبع جریان حول نقطۀ کار به صورت زیر بیان کرد ]35، 36[:
روابط بالا در شکل (6) آورده شده‌اند:
شکل (6): مدل خطی بار توان ثابت
ریزشبکۀ مورد مطالعه و کنترل‌کنندۀ سطح اولیه و ثانویه در شکل (7) نشان داده شده است. در شبیه‌سازی روش پیشنهادی، از یک ریزشبکه با وجود چهار مبدل استفاده می‌شود. در جدول (1)، مقادیر پارامترهای مختلف ریزشبکۀ DC مورد بررسی آورده شده‌اند.
در شکل (7)، خروجی کنترل ثانویۀ بردار است که به صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:
در این شکل، سطح اولیه فقط برای ژنراتور i ترسیم شده که سیگنال کنترلی به آن وارد می‌شود و خروجی آن در شکل وارد مبدل iام می‌شود. سطح اولیه برای دیگر مبدل‌ها نیز مشابه سطح اولیۀ مبدل i است.
جدول (1): مقادیر پارامترهای ریزشبکۀ DC
|
عنوان پارامترها |
نماد |
مقادیر در شبیه‌سازی چهار مبدل |
|
ولتاژ نامی |
48 V |
|
|
سلف مبدل |
L |
10 |
|
مقاومت داخلی سلف |
0.5 Ω |
|
|
خازن مبدل |
C |
500 |
|
مقاومت خطوط انتقال |
R1, R2,
R3, R4 |
0.2, 0.27,
0.3, 0.22 Ω |
|
جریان نامی مبدل‌ها |
5 A |
|
|
بار |
RL cpl |
20, 20 Ω 115, 115 W |
|
فرکانس کلیدزنی |
fs |
50 KH |
|
ضریب هزینه |
a1, a2,
a3, a4 |
0.161, 0.126
0.183, 0.142 () |
|
ضریب هزینه |
b1, b2,
b3, b4 |
4.6, 6.2,
5.1, 3.9 () |
|
ضریب هزینه |
W1, w2,
w3, w4 |
110, 120,
85, 95 () |
|
ضرایب افتی |
,,
, , |
3.2, 3
3.4, 2.9 |
|
ضرایب کنترلی |
α |
1.1 |
|
ضرایب کنترلی |
0.15 |
شکل (7): (الف) ریزشبکۀ مورد مطالعه؛ (ب):کنترل‌کنندۀ سطح اولیه وثانویه
5-1- حالت 1: تقسیم بهینۀ توان بدون در نظر گرفتن تلفات خط و توزیع بار اقتصادی
همان‌طور که قبلاً بیان شد، روش افتی به خاطر محدودیت‌های که دارد، قادر به انجام هم‌زمان اهداف مدنظر مانند تقسیم توان و بازیابی ولتاژ نیست؛ به همین علت، وجود کنترل ثانویه ضروری است.
در این قسمت، محدودیت‌های موجود در روش افتی و همچنین، عملکرد روش پیشنهادی مبتنی بر تقسیم توان بدون در نظر گرفتن تلفات خط و با در نظر گرفتن توزیع بار اقتصادی بررسی خواهند شد. ساختار ارتباطی در شکل (8) نشان داده شده است. به منظور بررسی عملکرد روش پیشنهادی، شبیه‌سازی با استفاده از چهار مبدل و در دو حالت بار مقاومتی و بار توان ثابت انجام شده است که کارایی و اثربخشی روش پیشنهادی را نشان می‌دهد.
شکل (8): ساختار ارتباطی چهار DG در ریزشبکۀ DC
روش کنترل پیشنهادی در این مرحله تحت تغییرات بار مقاومتی آزمایش شده است. کل فرایند شبیه‌سازی را می‌توان به سه مرحلۀ زیر تقسیم کرد:
مرحلۀ اول (1-0 ثانیه) که در آن هر دو بار به صورت هم‌زمان حضور دارند، حالت تعادل اولیه است.
در مرحلۀ دوم (2-1 ثانیه) بار که بار مقاومتی است، در زمان t=1 ثانیه قطع می‌شود.
در مرحلۀ سوم (3-2 ثانیه) بار که بار مقاومتی است، در زمان t=2 ثانیه دوباره وصل می‌شود.
همان‌طور که در شکل (9-الف) مشاهده می‌شود، در صورتی که فقط کنترل اولیه فعال باشد، یک انحراف ولتاژ بین ولتاژ باس و مقدار نامی آن در ابتدا و هنگام قطع و وصل بار به وجود می‌آید.
همان‌طور که در شکل (9-ب) مشاهده می‌شود، هنگامی که کنترل ثانویۀ پیشنهادی فعال می‌شود، ولتاژ باس منحرف‌شده در ابتدا و در هنگام قطع یا وصل بار به مقدار مرجع بازمی‌گردد که همان 48 ولت است. این امر تأیید می‌کند کنترل ثانویۀ پیشنهادی می‌تواند انحراف ولتاژ به‌وجودآمده تحت کنترل افتی را حذف کند.
شکل (9): نتایج بررسی آزمایش اول از حالت 1. (الف): تغییرات ولتاژ بین ولتاژ باس و مقدار نامی؛ (ب): تغییرات ولتاژ باس در حضور کنترل ثانویۀ فعال؛ (پ): عملکرد ولتاژ خروجی چهار DG
به ترتیب، ولتاژ و جریان خروجی DGها در شکل‌های (9-پ) و (10) نشان داده شده‌اند. توان خروجی هر DG در شکل (11) نشان داده شده است که مقدار بهینۀ توان است. هزینۀ کل تولید توان در جدول (2) نمایش داده شده است.
شکل (10): عملکرد جریان خروجی چهار DG
شکل (11): تغییرات توان برای هر DG
جدول (2): هزینۀ کل تولید توان بهینه
|
3-2 |
2-1 |
1-0 |
زمان (ثانیه) |
|
25500 |
12500 |
25500 |
هزینه () |
در این آزمایش، روش کنترل پیشنهادی تحت تغییرات بار توان ثابت آزمایش و بررسی شده است. فرایند شبیه‌سازی این آزمایش همانند آزمایش اول انجام می‌شود:
همان‌طور که در شکل (12-الف) مشاهده می‌شود، در صورتی که فقط کنترل اولیه فعال باشد، یک انحراف ولتاژ بین ولتاژ باس و مقدار نامی آن به وجود می‌آید.
همان‌طور که در شکل (12-ب) مشاهده می‌شود، صرف‌نظر از اینکه (به عنوان بار توان ثابت) درچه زمانی وارد مدار می‌شود، ولتاژ باس به مقدار نامی (که همان 48 ولت است) بازمی‌گردد. این امر تأیید می‌کند کنترل ثانویۀ پیشنهادی می‌تواند انحراف ولتاژ به‌وجودآمده تحت کنترل افتی را حذف کند.
شکل (12): نتایج بررسی آزمایش دوم از حالت 1. (الف): تغییرات ولتاژ بین ولتاژ باس و مقدار نامی؛ (ب): تغییرات ولتاژ باس در حضور کنترل ثانویۀ فعال؛ (پ): عملکرد ولتاژ خروجی چهار DG
در شکل‌های (12-پ) و (13) به ترتیب، ولتاژ و جریان خروجی DGها نشان داده شده‌اند. شکل (14) توان خروجی هر DG را نشان می‌دهد که مقدار بهینۀ توان هر DG است. هزینۀ کل تولید توان بهینه نیز در جدول (3) نمایش داده شده است.
شکل (13): عملکرد جریان خروجی چهار DG
شکل (14): تغییرات توان برای هر DG
جدول (3): هزینۀ کل تولید توان بهینه
|
3-2 |
2-1 |
1-0 |
زمان (ثانیه) |
|
25500 |
12500 |
25500 |
هزینه () |
در این قسمت، محدودیت‌های موجود در روش افتی و همچنین، عملکرد روش پیشنهادی مبتنی بر تقسیم بار با در نظر گرفتن تلفات خط و توزیع بار اقتصادی بررسی خواهند شد. به منظور بررسی عملکرد روش پیشنهادی، شبیه‌سازی با استفاده چهار مبدل و در دو حالت بار مقاومتی و بار توان ثابت انجام شده است که کارایی و اثربخشی روش پیشنهادی را نشان می‌دهد.
روش کنترل پیشنهادی در این مرحله تحت تغییرات بار مقاومتی آزمایش شده است. کل فرایند شبیه‌سازی را می‌توان به سه مرحلۀ زیر تقسیم کرد:
مرحلۀ اول (1-0 ثانیه) که در آن هر دو بار به صورت هم‌زمان حضور دارند، حالت تعادل اولیه است.
در مرحلۀ دوم (2-1 ثانیه) بار که بار مقاومتی است، در زمان t=1 ثانیه قطع می‌شود.
در مرحلۀ سوم (3-2 ثانیه) بار که بار مقاومتی است، در زمان t=2 ثانیه دوباره وصل می‌شود.
همان‌طور که در شکل (15-الف) مشاهده می‌شود، در صورتی که فقط کنترل اولیه فعال باشد، یک انحراف ولتاژ بین ولتاژ باس و مقدار نامی آن در ابتدا و هنگام قطع و وصل بار به وجود می‌آید.
شکل (15): نتایج بررسی آزمایش اول از حالت 2. (الف): تغییرات ولتاژ بین ولتاژ باس و مقدار نامی؛ (ب): تغییرات ولتاژ باس در حضور کنترل ثانویۀ فعال؛ (پ): عملکرد ولتاژ خروجی چهار DG
همان‌طور که در شکل (15-الف) مشاهده می‌شود، در صورتی که فقط کنترل اولیه فعال باشد، ولتاژ باس از مقدار نامی خود منحرف می‌شود. بنابراین، فعال‌شدن کنترل ثانویه در کنار کنترل اولیه باعث جبران انحراف ولتاژ به‌وجودآمده می‌شود. تغییرات ولتاژ باس در حضور کنترل ثانویۀ فعال در شکل (15-ب) نشان داده شده است.
به ترتیب، ولتاژ و جریان خروجی DGها در شکل‌های (15-پ) و (16) نشان داده شده‌اند. مقادیر بهینۀ توان خروجی هر DG در شکل (17) نشان داده شده‌اند. هزینۀ کل تولید توان در جدول (4) نمایش داده شده است.
شکل (16): عملکرد جریان خروجی چهار DG
شکل (17): تغییرات توان برای هر DG
جدول (4): هزینۀ کل تولید توان بهینه
|
3-2 |
2-1 |
1-0 |
زمان (ثانیه) |
|
25500 |
12500 |
25500 |
هزینه () |
در این آزمایش، روش کنترل پیشنهادی تحت تغییرات بار توان ثابت آزمایش و بررسی شده است. فرایند شبیه‌سازی این آزمایش همانند آزمایش اول انجام می‌شود:
همان‌طور که در شکل (18-الف) مشاهده می‌شود، در صورتی که فقط کنترل اولیه فعال باشد، یک انحراف ولتاژ بین ولتاژ باس و مقدار نامی آن به وجود می‌آید.
شکل (18): نتایج بررسی آزمایش دوم از حالت 2. (الف): تغییرات ولتاژ بین ولتاژ باس و مقدار نامی؛ (ب): تغییرات ولتاژ باس در حضور کنترل ثانویۀ فعال؛ (پ): عملکرد ولتاژ خروجی چهار DG
همان‌طور که در شکل (18-الف) مشاهده می‌شود، در صورتی که فقط کنترل اولیه فعال باشد، ولتاژ باس از مقدار مرجع خود منحرف می‌شود. بنابراین، فعال‌شدن کنترل ثانویه در کنار کنترل اولیه باعث جبران افت ولتاژ به‌وجودآمده می‌شود. شکل (18-ب) تغییرات ولتاژ باس در حضور فعال کنترل ثانویه را نشان می‌دهد.
در شکل‌های (18-پ) و (19) به ترتیب، ولتاژ و جریان خروجی DGها نشان داده شده‌اند. شکل (20) توان خروجی هر DG را نشان می‌دهد که مقدار بهینۀ توان هر DG است. هزینۀ کل تولید توان بهینه نیز در جدول (5) نمایش داده شده است.
شکل (19): عملکرد جریان خروجی چهار DG
شکل (20): تغییرات توان برای هر DG
جدول (5): هزینۀ کل تولید توان بهینه
|
3-2 |
2-1 |
1-0 |
زمان (ثانیه) |
|
25500 |
12500 |
25500 |
هزینه () |
در این مقاله، به منظور حل و برطرف کردن انحراف ولتاژ باس DC و تقسیم توان بهینه بین منابع تولید پراکنده، یک روش کنترل ثانویۀ توزیع‌شده ارائه شد. روش کنترل پیشنهادی شامل دو حالت است. حالت اول مبتنی بر تقسیم توان با در نظر گرفتن توزیع بار اقتصادی و حالت دوم مبتنی بر تقسیم توان بدون در نظر گرفتن تلفات خط و با در نظر گرفتن توزیع بار اقتصادی است. پارامتر کنترل پیشنهادی شامل دو بخش کنترلی است. بخش نخست کنترل وظیفۀ بازیابی انحراف ولتاژ ایجادشده توسط کنترل افتی را به عهده دارد و بخش دوم که شامل پخش بار اقتصادی (با و بدون در نظر گرفتن تلفات خط است) وظیفۀ کمینه‌کردن هزینۀ کلی تولید توان را به عهده دارد. روش کنترل پیشنهادی در محیط نرم‌افزاری MATLAB/SIMULINK شبیه‌سازی شد. این روش کنترل پیشنهادی ترکیبی از یک ریزشبکۀ DC با حضور چهار منبع تولید پراکنده است. کارایی و عملکرد روش کنترل پیشنهادی در حضور بارهای مختلف از جمله بار کاملاً مقاومتی، بار مقاومتی به توان ثابت و بار کاملاً توان ثابت بررسی شد.
نتایج شبیه‌سازی صحت و دقت کارایی روش پیشنهادی در خصوص تنظیم ولتاژ باس DC به مقدار مرجع و همچنین کمینه‌کردن هزینۀ کلی تولید توان را تأیید کرد.
[1] تاریخ ارسال مقاله : 24/01/1404
تاریخ پذیرش مقاله : 17/12/1404
نام نویسنده مسئول : مهدی بانژاد
نشانی نویسنده مسئول: ایران، شاهرود، دانشگاه صنعتی شاهرود، دانشکده مهندسی برق
[i] Centralized Control
[ii] Decentralized Control
[iii] Distributed Control
[iv] Droop Control
[v] Complex Communications
[vi] Dynamic Consensus Protocol
[vii] Flexible Current
[viii]Virtual Voltage Droop
[ix] Kuhn-Kun-Tucker
[x] Increase Coefficient
)