توضیحات
Coordinated Control and Energy Management of Distributed Generation Inverters in a Microgrid
ترجمه مقاله:
مديريت انرژي و كنترل هماهنگ مبدل هاي تولید پراکنده در يك ریزشبکه
شبیه سازی در محیط سیمولینک متلب 2013 انجام شده است.
چكيده ي مطالب :
این مقاله یک ریزشبکه حاوی واحدهای تولید پراکنده مختلفی را ارایه میکند که به شبکه توزیع متصل هستند. یک الگوریتم مدیریت انرژی برای هماهنگ کردن عملکردهای واحدهای مختلف DG در ریزشبکه برای عملکردهای متصل به شبکه و جزیره ای، اجرا شده است. ریزشبکه پیشنهادی شامل یک ارایه فتو ولتاییک (PV) که بعنوان واحد تولیدی اصلی ریزشبکه عمل میکند و یک پیل سوختی پوسته تبادل پروتونی برای تکمیل تغییر پذیری در توان تولیدی توسط ارایه PV، میباشد. یک باتری ذخیره ساز لیتیم-یون جهت کاهش پیک مصرف (تقاضا) در حین عملکرد (بهره برداری) متصل به شبکه و جبرانسازی هر گونه کمبودی در توان تولیدی در حین بهره برداری جزیره ای، به ریز شبکه ادغام شده است.طراحی کنترلی برای اینورترهای DG از یک الگوریتم کنترلی پیشبینی کننده (پیشگو) مدل جدید استفاده میکند که زمان محاسباتی سریعتری را برای سیستمهای قدرت بزرگ با بهینه سازی مسایل کنترلی حالت ماندگار و گذرا بطور جدا گانه، فراهم میکند. مفهوم طراحی از طریق سناریوهای متفاوت ازمایشی برای نشان دادن قابلیت بهره بردلری ریزشبکه پیشنهادی، تایید گردیده و نتایج بدست امده مورد بحث قرار گرفته اند.
اصطلاحات شاخص :
تولید پراکنده ( DG ) ، مديريت انرژي ، ریزشبکه ، كنترل پيشگويي مدل ( MPC ) .
-1 مقدمه :
در دهه ي گذشته، تكنولوژي هاي كنترل و ارتباطات قابل اعتماد و معتبر با افزايش امکانات الكتريكي مثل وسايل نقليه الكتريكي و اندازه گیرهای هوشمند جفت شده اندكه منجر به یک تعداد افزاینده ی مشارکت مصرف کننده ها در مدیریت پاسخگویی بار ( DRM )[1] شده است [1]-[5] تحقيق فعلي همچنين بر روي بدست آوردن شبكه اي هوشمندتر از طریق مديريت سمت بار (تقاضا) ( DSM )[2]، افزايش ذخایر انرژي، بهبود كيفيت توان سيستم توزيع، بعنوان مثال، جبران هارمونيك ها براي بارهاي غير خطي، تمرکز دارد [8] .[5] اين روند جديد سطوح بالاتری از نفوذ تولیدات تجديدپذیر مثل باد و انرژي خورشيدي به شبكه را محقق میسازد. ادغام منابع تجدید پذیر مي تواند تولید از شبكه توزيع را تکمیل نماید. اگر چه اين منابع تجدید پذیر در توليد خود، متناوب هستند و ممكن است با پایداری و قابليت اعتماد شبكه ي توزيع مصالحه نمایند. نتیجتاً، تجهیزات ذخيره سازی انرژي مثل باطري ها و ابر خازنها نیازمند این هستند که تغییرات در منابع تجدید پذیر را جبران نمایند. ترکیب تجهیزات ذخيره سازی انرژي نیز براي مديريت پيك تقاضا و تغییرات در تقاضاي بار حياتي مي باشد.
در اين مقاله، يك ریزشبکه كه شامل فتوولتاییک ( PV ) ، يك پیل سوختي غشایی تبادل کننده پروتون ( PEMFC ) و باطري ذخيره سازی ليتيم يون ( SB ) مي باشد، پیشنهاد شده است. اين PEMFC به عنوان واحد تولید کننده پشتيبان برای جبرانسازی توان تولیدی توسط خاصیت متناوب آرایه های PV مورد استفاده قرار گرفته است. SB برای اصلاح پیک در حین عملکرد متصل به شبکه، و برای تغذیه توان برای هر گونه کمبودی در توان تولیدی در حین عملکرد جزیره ای، و دستیابی به پایداری شبکه توزیع، اجرا شده است. یک الگوریتم مدیریت انرژی برای ریزشبکه جهت هماهنگ کردن تقسیم توان ما بین واحدهای مختلف DG، طراحی گردیده است. کنترلر پیشنهادی برای اینورترهای واحدهای DG مبتنی بر یک الگوریتم کنترلی پیشگوی مدل (MPC) که اخیراً توسعه یافته است، میباشد، که مسائل کنترلی حالت ماندگار و گذرا را بطور جداگانه، بهینه مینماید. بدین ترتیب، زمان محاسباتی به شدت کاهش می یابد.
در ادامه، این مقاله یک راه حل جامع برای عملکرد یک ریزشبکه را ارئه مینماید که بطور همزمان توان حقیقی و راکتیو درحین هردو عملکرد متصل به شبکه و جزیره ای، را پخش، هارمونیکهای جریانهای بار را جبران، و اصلاح پیک و حذف بار را تحت شرایط بهره برداری مختلف، اجرا خواهد نمود.
2- توصیف و مدلسازی سیستم
- توصيف سيستم :
شکل 1 ساختار ریزشبکه پیشنهادی در این مقاله را نشان میدهد که برای عمل کردن در حالت متصل به شبکه و جزیره ای، طراحی گردیده است. واحد DG اصلی یک آرایه 40 کیلو وات PV و یک PEMFC 15 کیلوواتی را دربردارد که بطور موازی با سمت dc اینورتر DG ِ 1 از طریق کانورترهای بوست (boost) dc/dc، برای تنظیم ولتاژ dc-link اینورتر DG در سطح مطلوب توسط تحویل برق اضطراری، متصل شده اند. آرایه PV بعنوان واحد تولیدی اصلی اجرا شده و PEMFC جهت پشتیبانی تولید متناوب آرایه PV، مورد استفاده قرار گرفته است. زمانیکه نور خورشید کافی موجود باشد، آرایه PV در حالت MPPT برای تحویل ماکزیمم توان dc ِ PPV عمل میکند، که با جزئیات در [9] و [10]، مورد بحث قرار گرفته و ولتاژ خروجی آرایه PV برای تغییر در داخل رنج قابل قبولی برای اطمینان از عملکرد مناسب اینورتر DG مجاز شده است. برای دستیابی به سطح ولتاژ dc-link ِ Vdc در سطح مورد نیاز، PEMFC، تولید آرایه PV را برای تحویل Pfc اضطراری، تکمیل میکند. زمانیکه ولتاژ خروجی آرایه PV کمتر از یک حد از پیش تعیین شده، افت کند، آرایه PV از واحد DG جدا شده و PEMFC بعنوان واحد تولیدی اصلی برای تحویل توان مورد نیاز، عمل میکند.
شکل1) ساختار کلی ریزشبکه پیشنهادی
شکل 2) عملکرد SB در حین بهره برداری متصل به شبکه
یک SB لیتیم-یون 30 آمپر-ساعت از طریق یک مبدل بوک-بوست dc/dc دوطرفه برای تسهیل عملیات شارژ و دشارژ، به سمت dc اینورتر DG ِ 2 متصل شده است. در حین عملکرد جزیره ای، نقش SB دستیابی به تعادل توان در ریز شبکه میباشد که بصورت زیر داده شده است:
كه انرژي تحویل داده شده توسط واحد اصلی DG، میباشد، Pb توان SB که در مقید به محدودیتهای شارژ و دشارژ بصورت زیر قرار گرفته است:
توان حقیقی تحویل داده شده توسط واحد DG اصلی به بارها میباشد. محدودیتهای انرژی SB بر اساس محدودیتهای بخش شارژ (SOC)[3] تعیین شده اند که بصورت زیر داده شده است:
شکل3) عملکرد SB در حین بهره برداری جزیره ای
اگرچه SOC باتری نمیتواند بطور مستقیم اندازه گیری شود، اما میتواند از طریق چندین روش تخمین که در [11] و [12] ارائه شده است، تعیین گردد. وقتی ریز شبکه بطور جزیره ای از شبکه توزیع عمل میکند، SB میتواند در حالت شارژ، دشارژ یا آماده بکار عمل کند که بستگی به SOC و Pb اش دارد. فلوچارتها در شکلهای 2 و 3 عملکرد SB را بر اساس اطلاعات خروجی فراهم شده توسط یک سیستم مدیریت انرژی (EMS)[4] بترتیب در حین بهره برداری متصل به شبکه و جزیره ای، خلاصه میکند. EMS جوانب مختلف مدیریت توان، همچون پیشبینی بار[5]، آماده سازی واحد[6]، توزیع اقتصادی[7] و پخش بار بهینه از طریق یک سرور مرکزی، کنترل و نمایش میدهد. اطلاعات مهمی همچون، اندازه گیریهای میدانی از اندازه گیرهای هوشمند، موقعیتهای تپ ترانسفورماتور و وضعیت بریکر جریان (CB)، همگی جهت پردازش از طریق اترنت[8] به سرور مرکزی ارسال شده اند.
در حین عملکرد متصل به شبکه، شبکه توزیع در نقطه اتصال مشترک (PCC)[9] از طریق یک بریکر جریان (CB) به ریز شبکه متصل شده است. نقش اصلی عملکردهای واحد DG اصلی فراهم کردن توان محلی و پشتیبانی ولتاژ برای بارها، همچنین کاهش بار مسئولیت تولید و تحویل توان بطور مستقیم از شبکه توزیع، میباشد. با گسترش تجهیزات الکترونیک قدرتی که به ریز شبکه متصل هستند، جریانهای بار میتوانند بعلت وجود
مولفه های هارمونیکی، منحرف گردند. همچنین واحدهای DG برای جبرانسازی هرگونه هارمونیکی در جریانهای کشیده شده توسط بارهای غیر خطی در ریز شبکه، عمل میکنند، که در این صورت هارمونیکها به دیگر شبکه های الکتریکی متصل به PCC منتشر نخواهند شد. بطور کلی، تغییراتی در توان تولیدی توسط آرایه PV و توانی که توسط بارها تقاضا شده اند، وجود دارد. اگر توان تولیدی توسط واحد DG اصلی بزرگتر از کل تقاضای بار در ریزشبکه باشد، توان اضافی میتواند برای شارژ SB مورد استفاده قرار گیرد و یا مطابق SOC ِ SB، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، به شبکه توزیع تزریق گردد. در مقابل، وقتیکه تمام تقاضای بار بیشتر از توان تولیدی توسط واحد DG اصلی باشد، SB میتواند برای دستیابی به عمنلکردهای مختلف مدیریت انرژی بر اساس
SOC اش و زمان استفاده (TOU)[10] ِ برق، کنترل گردد. در حین پریودهای خارج از پیک (منظور زمانهایی که پیک بار نیست)، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است.، زمانیکه قیمت تولید از شبکه کم است و اگر SOC ِ SB کمتر از ماکزیمم حد SOC (SOCmax) باشد، SB میتواند توسط شبکه شارژ شود و بارها توسط واحد DG اصلی و شبکه تغذیه خواهند شد. در حین پریودهای پیک، زمانیکه قیمت تولید از شبکه بالاست و اگر SOC ِ SB بیشتر از مینیمم حد SOC (SOCmin) باشد، SB میتواند توان به شبکه تحویل دهد تا به اصلاح پیک[11] دست یابد.
در زمانیکه یک خطا بر روی شبکه بالادست شبکه توزیع رخ میدهد، CB برای قطع ریزشبکه از شبکه توزیع عمل میکند. واحد DG اصلی و SB منابع برق منحصر به فرد باقی مانده ای هستند که بارها را تنظیم مینمایند. در مورد زمانیکه ظرفیت تولید واحد DG اصلی برای رویارویی با کل تقاضای بار ناتوان است، برای فراهم نمودن کمبود توان حقیقی و راکتیو جهت دستیابی به تعادل توان و پایداری ریز شبکه همانند آنچه در شکل 3 نشان داده شده است، SB مورد نیاز است. زمانیکه تقاضای بار کل از ظرفیت تولید واحد DG اصلی و SB تجاوز کند، EMS افتی را در فرکانس سیستم شناسایی میکند و حذف بار برای بارهای غیر ضروری برای بازگردانی فرکانس سیستم و دستیابی به پایداری ریز شبکه، مورد نیاز است.
ب) مدلسازی اینورتر DG
شکلهای 4 و 5 نمایش تک فاز معادل اینورترهای DG بترتیب برای عملکردهای متصل به شبکه و جزیره ای، را نشان میدهند. ولتاژ سوییچ شده از خروجی jام اینورتر DG توسط uj Vdcj نشان داده شده است، که uj ورودی کنترلی و j=1,2 میباشند.خروجی اینورتر DG با یک فیلتر LC ِ نشان داده شده توسط Lfi و Cfi، برای حذف هارمونیکهای فرکانس بالای سوییچینگ تولید شده توسط اینورتر DG، مواجه شده است. مقاومت Rj تلفات اینورتر DG را مدل میکند. جریان بار کل il، که مجموع جریانهای تحویلی به بار k (k=1,2,3) میباشد، بصورت زیر داده شده است:
شکل 4) نمایش تک فاز معادل اینورترهای DG برای عملکرد متصل به شبکه
و بترتیب میتواند بعنوان دو مولفه حاوی فرکانس اصلی iLf و هارمونیکی ILf با دامنه های پیکشان ILf و ILh، مدل شوند، و بصورت زیر نمایش داده شوند:
که φLf و φLh بترتیب زوایای فازی مولفه های اصلی و هارمونیکی iL میباشند و iLf,p و iLf,q مولفه های فازی و مربع اصلی (غیر هارمونیکی با فرکانس اصلی) لحظه ایِ iL میباشند. برای دستیابی به ضریب قدرت واحد در سمت شبکه، جبرانسازی هارمونیکها در جریانهای بار و بطور همزمان دستیابی به تقسیم بار[12]، اینورتر واحد DG یک جریان iDGj را تغذیه میکند که بصورت زیر است:
شکل5) نمایش معادل تک فاز اینورترهای DG برای عملکرد جزیره ای
که ig جریان شبکه میباشد. همانطور که در شکل 4 نشان داده شد، شبکه توزیع توسط یک پست برقکه با یک منبع ولتاژ vg در حین عملکرد متصل به شبکه نشان داده شده، تغذیه گردیده است، و از طریق یک خط توزیع با مقاومت Rl و Ll، به ریز شبکه و بارها متصل شده است.
در حالت متصل به شبکه، ولتاژ شبکه مشخص است و ریزشبکه تقاضای بار را با شبکه به اشتراک میگذارد. از این رو، برای کنترل توان تحویلی به بارها، جریان خروجی اینورتر DG توسط حالت کنترل جریان (CCM)[13]، کنترل شده است. در حین بهره برداری جزیره ای، زیر شبکه تقاضای بار کل را همانند آنچه در شکل 5 نشان داده شده است، تغذیه خواهد کرد، و لازم است که ولتاژ خروجی به یک شکل موج خالص سینوسی با دامنه ثابت تنظیم گردد. این امر میتواند از طریق حالت کنترل ولتاژ (VCM) حاصل شود. طرح کنترلی برای اینورتر DG بعداً در بخش 3 تشریح خواهد شد.
برای استخراج مدل فضای حالت برای اینورتر DG در حین هردو عملکرد متصل به شبکه و جزیره ای، قوانین ولتاژ و جریان کیرشهف به حلقه جریان ij، همانند آنچه که در شکل 6 نشان داده شده است، اعمال گردیده است، و معادلات زیر بدست آمده اند:
شکل 6) نمایش تکفاز اینورتر DG jام برای عملکردهای متصل به شبکه و جزیره ای
که ij جریان عبوری از Lfi میباشد. از این رو، مدل اینورتر DG متصل به شبکه میتواند بصورت زیر نوشته شود:
که اندیس g و j به مدل j اینورتر DG در حین بهره برداری متصل به شبکه (j=1,2) اشاره دارد و
xgj=ij یک جز میباشد، ورودی با منشا بیرونی، uj ورودی کنترلی با ، و خروجی میباشد، که برای ردیابی شکل موج مرجع تناوبی مطلوب، تنظیم خواهد شد.
در حین بهره برداری جزیره ای، فرکانس بعلت عدم تعادل توان در ریزشبکه، تغییر خواهد کرد. این تغییر در فرکانس توسط EMS ریزشبکه شناسایی شده است که برای مدیریت و مانیتور توزیع توان توسط هر واحد DG، مورد استفاده قرار گرفته است. بر اساس اطلاعات تغییر فرکانس، EMS نیازمند واحد DG اصلی خواهد بود و SB، برای رویارویی با تقاضای بار کل در ریزشبکه، همانند فلوچارت نشان داده شده در شکل 3، توان ضروری را تولید میکند، بطوریکه (1) ارضا گردد. در حین بهره برداری جزیره ای، با پیروی از (7) و (8)، j اینورتر DG میتواند بصورت زیر مدل شود:
که اندیس i به مدل j اینورتر DG در حین بهره برداری جزیره ای اشاره دارد (j=1,2) و
که بردار حالت، ورودی منشا گرفته از بیرون j اینورتر DG، uj ورودی کنترلی با میباشند و خروجی میباشد که برای ردیابی شکل موج مرجع مطلوب، تنظیم خواهد گشت. باید یادآور شد که اگرچه تاکید بر روی ولتاژ vDGj میباشد، اما هر دو vDGj و iDGj در VMC برای اطمینان از اینکه توان تحویل داده شده است، تنظیم خواهند شد. بنابراین، فرض میشود که از آنجاییکه ورودی منشا گرفته از بیرون i‘j شامل مقادیر خارج از اینورتر میباشد، در مدل بطور مستقیم توسط j اینورتر DG قابل اندازه گیری نمیباشد. دقیقاً، i‘j مجموع جریانهای تمامی بارها iL منهای مجموع تمام in ها از دیگر اینورترهای DG n≠j را در ریزشبکه نشان میدهد. اگرچه تنها یک اینورتر دیگر در ریزشبکه پیشنهادی ارائه شده است، اما مدل برای اینورترهای DG بیشتری توسعه پذیر میباشد.
3- طراحی کنترلی
با مدل ریاضی ارائه شده در بخش 2-ب این مقاله یک الگوریتم جدید MPC برای کنترل اینورترهای DG ریز شبکه را پیشنهاد میکند. الگوریتم پیشنهادی یک الگوریتم MPC اخیراً توسعه یافته بطور ویژه طراحی شده برای سیستمهای تمونه گیری-سریع، جهت ردیابی سیگنالهای تناوبی که برای مواجه شدن با عملکرد دوحالته ریز شبکه، میباشد. الگوریتم، بهینه سازی MPC را به یک زیر مسئله حالت ماندگار و یک زیر مسئله حالت گذرا تجزیه میکند، که میتواند بطور موازی با یک روش عقب کشیدن افق[14]، حل گردد. بنابراین، زیر مسئله حالت ماندگار، یک روش سیاست متغیر که در آن پیچیدگی محاسباتی قابل تغییر است، را اتخاذ میکند. همچنین تجزیه اجازه میدهد تا زیر مسئله حالت ماندگاردر یک نرخ کمتر از زیر مسئله حالت گذرا، در صورت لزوم، حل گردد. این ویژگیها به دستیابی یک پیچیدگی محاسباتی کمتر کمک میکند و آن را برای اجرا در یک سیستم نمونه گیری-سریع همانند کاربرد ریز شبکه ما، مناسب می سازد. در مطالعات شبیه سازی در این مقاله، فاصله زمانی نمونه گیری 0.2 ثانیه انتخاب شده اس که در مقایسه با کاربردهای متداول MPC بسیار کوچک است، اما برای هارمونیکهای مرتبه بالایی که تبدیل به مشکل ما شده اند، ضروریست. مطابق [16]، نمونه گیری در رنج چندین دَه کیلو هرتز با تکنیکهای تولید کد حالت هنر[15] امکان پذیر است.
باید یادآور شد که در عملکرد متصل به شبکه و یا جزیره ای، مدل فضای حالت بخش 2-ب بعد از گسسته سازی زمان (تبدیل به زمان-گسسته) به شکل زیر تبدیل خواهد شد:
که اندیس + نشان دهنده عملگر انتقال زمانی ( با فاصله زمانی Ts) و سیگنال برونزای w تناوب میباشد. بطور کلی، هر سیگنال تناوبی با یک تعداد محدود هارمونیکها، میتواند بصورت خروجی یک مدل فضای حالت متغیر با زمان خطی دارای بُعد محدود مستقل، نوشته شود. برای مثال، اگر سیگنال تناوبیدارای فرکانس اصلیِ ω و حاوی تنها هارمونیکهای فرد باشد، ماتریس A مربوط به مدل فضای حالت میتواند یک بلوک قطری از بلوکهای داده شده توسط را بگیرد که h=1,3,5,… و ماتریس C [1 0 1 0 … 1 0] میباشد. بنابراین، حالت اولیه این مدل مستقل، دامنه و زاویه فاز این سیگنال تناوبی را تعیین میکند. از این رو، سیگنال برونزای ω در (13) و (14) باهم با مرجع d میتواند بصورت زیر مدل شود که y در (14) تمایل به ردیابی دارد:
بازاي برخی Aξ و و همانطور كه در بالا توصيف شد. براي CCM در حین بهره برداری متصل به شبكه، و مرجع جریان
براي جهت ردیابی شامل همان مرتبه از هارمونیکها مثل میباشد و از خروجیهای توان اکتیو و راکتیو مطلوب واحدهای DG تولید شده توسط EMS تشکیل شده است. از طرف دیگر، برای VMS همانطور که در بخش 2-ب تشریح شد، در حین بهره برداری جزیره ای، برای واحد DG و مرجع شامل یک مرجع ولتاژ و یک مرجع جریان میشود. مرجع ولتاژ برای جهت ردیابی، معمولاً یک شکل موج سینوسی خالص میباشد، که از مانیتور (نشان داده شده) شده قبلی برای حالت جزیره ای، تشکیل شده است. برای اطمینان از تحویل توان ضروری واحدهای DG مربوطه برای عملکرد پایدار ریزشبکه، مرجع جریان diDG برای iDG جهت ردیابی (منظور دنبال کردن جریان) مطابق مرجع توان تولیدی توسط EMS، تنظیم شده است.
مدل فضای حالت که توسط (15)-(17) داده شده است، بعنوان سیستم برونزا در این مقاله شناخته شده است. اگرچه تنها هارمونیکهای فرد بیش از مرتبه 29 ام در نظر گرفته شده است، اما متودولوژی میتواند به آسانی به هارمونیکهای زوج نیز توسعه یابد. حالت برونزای ζ، که مخصوصاً مجموعه ضرایب فوریه ω و d را نشان میدهد، میتواند بطور خودکار توسط آشکارساز مبتنی بر فیلتر کالمن که بعنوان یک فیلتر کالمن برونزا هنگامیکه سیگنال ω اندازه گیری و مرجع d مشخص شده اند، تعیین گردد. فیلتر کالمن برونزا بصورت زیر داده شده است:
که حالت برونزای تخمین زده شده میباشد. و ماتریسهای بهره آشکارساز فیلتر کالمن میباشند، و جملات و اساساً اختلاف بین ω واقعی، d و ω تخمین زده شده، d تولید شده توسط فیلتر کالمن، هستند، بطوریکه و باید به مجانب صفر تمایل داشته باشند. از این رو ζ حقیقتاً یک تجزیه از سیگنالهای تناوبی ω و d میباشد، فیلتر کالمن برونزا داده شده توسط (18)-(20) همانند یک جریان هارمونیکی استخراجی از نقطه نظر سیستم قدرت عمل میکند [17],[18].
در ادامه، کنترل u در (13) و (14) به یک کنترل حالت ماندگار و یک کنترل حالت گذرای بصورت زیر تجزیه شده است:
بطوریکه و بطور مجانبی تمایل دارند. هر دو و از يك استراتژي MPC بهره مي برد، اما اولی بعنوان يك روند متغیر MPC اتخاذ خواهد شد در حاليكه روش دوم بعنوان یک روش متداول تر افق-محدود در نظر گرفته خواهد شد.
الف) زير مجموعه مسائل وضعيت ثابت :
تابع هدف کنترلی زیر مسئله حالت ماندگار شناسایی یک سیگنال کنترلی بهینه میباشد بطوریکه بطور مجانبی، و و تمایل دارند، خروجی حالت ماندگار باید به مقدار ممکن به مرجع مطلوب d نزدیک باشد. مطابق (13) و (14) و و باید محدودیتهای زیر را برآورده کنند:
کنترل حالت ماندگار را تولید شده از یک روند MPC در نظر میگیریم.
بطوريكه ماتريس های و آفلاین (خارج از خط) طراحي شده اند اما وضعيت اوليه ξ در زمان K بصورت آنلاين بهينه سازي شده است تا خطاي کوادراتیک (مربعی) را بر روي خطاي ردیابی
در یک روش عقب کشیدن افق (منظور عقب بردن شکل موج در راستای محور افقی) کمینه سازد (حداقل کند).
ب) زير مسئله حالت گذرا :
زمانيكه و بهینه توسط زیر مسئله تعیین گردند، تابع هدف کنترل زیر مسئله حالت گذرا، از اینکه سیگنالهای گذرا و
و بسرعت به سمت صفر میل خواهند کرد، اطمینان حاصل میکند. سپس مطابق فرمول [13] و [14] و [22] و [23] ، و و بايد روابط زیر را برآورده کنند:
در این زیر مسئله حالت گذرا، هدف ساختن با سرعت ممکن میباشد، با رعایت محدودیت زیر:
يك روش متداول MPC که از یک افق محدود با یک قیمت خروجی استفاده میکند، را میتوان در نظر گرفت. لازم است تا اطلاعات و ، توسط حل زیرمسئله حالت ماندگار فراهم، و اطلاعات حالت تجهیز x توسط فیلتر کالمن تجهیز در (13) و (14) میتواند تخمین زده شوند.
که ، حالت تخمین زده شده تجهیز و Ly ماتریس بهره آشکارساز فیلتر کالمن تجهیز میباشند و جمله اختلاف بین خروجی واقعی اندازه گیری شده y و خروجی تخمین زده شده مي باشدساختار کلی الگوریتم کنترلی پیشنهادی با ترکیب کنترل حالت ماندگار us و کنترل حالت گذرای ut در شکل 7 نشان داده شده است.
شكل (7 كنترلر کلی MPC براي اینورتر DG با که به فيلتر کالمن برونزا و که به فیلتر کالمن تجهیز، اشاره دارند.
شکل 8) ساختار یک ASD سه فاز 15 کیلو ولت آمپری
4- مطالعات شبیه سازی
مدل شبیه سازی ریزشبکه که در شکل 1 نشان داده شده است توسط متلب/سیمولینک تحقق یافته است. ریزشبکه جهت ارزیابی قابلیتش در هنگام بهره برداری متصل و جدا از شبکه توزیع، تحت شرایط متفاوت مورد آزمایش قرار گرفته است. سه نوع بار مختلف حاوی بارهای خطی و غیرخطی در این مطالعات در نظر گرفته شده اند. برای بار 1،
شکل 9) جریانهای هر فاز کشیده شده توسط بارهای1،2،3
جدول 1) پارامترهای سیستم پیشنهادی
یک درایو سرعت قابل تنظیم (ASD) PWM سه فاز 15 کیلو ولت آمپری با ساختارش همانند آنچه در شکل 8 نشان داده شده است، مورد استفاده قرار گرفته و بار 2 با یک بار RLسه فاز نامی در PL2=28 KW و QL2=18.5 KVAr ساخته شده است. بار 3 یک بار تغییر کننده سه فاز غیر حساس نامی در PL3=18 KW و QL2=12.5 KVAr میباشد که ذاتاً غیر خطی بوده و در شرایط اضطراری زمانیکه تولید ریزشبکه برای رویارویی با تقاضای بار ناموفق است، اضافه خواهد شد. جریانهای هر فاز iL1، iL2 و iL3 کشیده شده توسط بارهای 1، 2 و 3 برای ثانیه در شکل 9 نشان داده شده اند. پارامترهای سیستم پیشنهادی در جدول 1 داده شده است. امپدانس اینورترهای DG و خط توزیع بطور تقریبی تخمین زده شده اند ابخاطر اینکه این مقادیر در عمل دقیقاً شناخته نشده اند.
- انجام پروژه شبکه عصبی با متلبی
- برنامه ریزی بهینه یک ریزشبکه هوشمند شامل پاسخگویی بار و منابع تجدیدپذیر متناوب انرژی
الف) مورد آزمایشی 1: بهبود کیفیت توان با تقسیم بار در حین عملکرد متصل به شبکه
اولین مورد آزمایشی قابلیت ریزشبکه برای بهبود کیفیت توان شبکه توزیع با جبرانسازی هارمونیکها در جریان بار کل ناشی از بارهای غیر خطی که به شبکه توزیع متصل هستند را نشان میدهد، بطوریکه هارمونیکها به مابقی شبکه توزیع در حین بهره برداری متصل به شبکه، تکثیر نخواهند یافت. در این مورد آزمایشی، واحد DG اصلی برای 20% کل تقاضای بار به حساب می آید. SB در حالت شارژ برای ذخیره انرژی در حین پریود خارج از پیک قرار گرفته که قیمت تولید از شبکه برای رویارویی با تقاضاهای ناگهانی آینده برای برق، پایین میباشد. جریان SB ِ Ib (همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است) و SOC درحین شارژ شدن برای ثانیه بترتیب در شکلهای 10 و 11 نشان داده شده اند.
شکل موجهای جریان بار کل iL، جریان تغذیه شده توسط واحد DG اصلی iDG، و جریان شبکه ig تحت این مورد آزمایشی در شکل 12 نشان داده شده است.
شکل 10) شکل موج جریان SB در حین شارژ شدن
شکل11) SOC ِ SB در حین شارژ شدن
شکل 12) شکل موجهای جریانهای بار سه فاز iL در بالا، جریان DG سه فاز iDGدر وسط، و جریان شبکه سه فاز ig در پایین
اندازه گیریهای غیر ماندگار در iDG و ig همانند آنچه که بترتیب در شکلهای 12 وسط و پایین در حین مقدار دهی اولیه برای ثانیه نشان داده شده است، بعلت این حقیقت است که کنترلر نیازمند یک پریود 3 سیکله برای ردیابی مراجع تولیدی میباشد. در حین شرایط حالت ماندگار، مقدار انحراف هارمونیکی کل (THD) iL 42.1% همانند آنچه که در شکل 12 بالا نشان داده شده است، میباشد. با جبران جریانهای هارمونیکی بوسیله واحد DG اصلی همانند آنچه که در شکل 12 وسط نشان داده شده است، مقدار THD ig همانند آنچه که در شکل 12 پایین نشان داده شده است، به حدود 0.4% بهبود یافته است. همچنین برای دستیابی به تصحیح ضریب قدرت در سمت شبکه، واحد DG اصلی برای فراهم نمودن مولفه راکتیو iLf,q جریان iL همانند آنچه که در (5) ارائه شده است، کنترل شده است. شکل 13 شکل موجهای بسته ولتاژ شبکه vg و ig فاز a را برای ثانیه نشان میدهد. میتوان مشاهده کرد که شکل موج ig همفاز با vg با اصلاح ضریب قدرت، میباشد.
توان حقیقی و راکتیو تحویل داده شده به بارها حدود 58 کیلو وات و 35 کیلو ولت آمپر راکتیو همانند آنچه که در شکل موج توان شکل 14 نشان داده شده است، میباشد. همچنین توان حقیقی توسط واحد DG اصلی، تمام توان راکتیو مورد نیاز بارهای را برای دستیابی به ضریب توان واحد در سمت شبکه، تحویل میدهد. توان حقیقی و راکتیو تحویل داده شده توسط شبکه در شکل 16 نشان داده شده است. از شکل 16 میتوان مشاهده نمود که شبکه 80% (46.4 کیلووات) کل توان حقیقی تحویل داده شده به بارها را تغذیه میکند و یک توان اضافی حدود 3 کیلووات را برای شارژ SB پخش میکند. همچنین میتوان مشاهده نمود که توان راکتیو تغذیه شده توسط شبکه صفر میباشد، که منجر به ضریب قدرت واحد در سمت شبکه میشود.
شکل 13) شکل موجهای ولتاژ شبکه vg و جریان شبکه ig برای فاز a
شکل 14) توان حقیقی (بالا) و راکتیو (پایین) مصرف شده برای بارها
شکل 15) توان حقیقی (بالا) و راکتیو (پایین) تحویل داده شده توسط واحد DG اصلی
شکل 16) توان حقیقی (بالا) و راکتیو (پایین) تحویل داده شده توسط شبکه
شکل 17) منحنی پاسخ تقاضای ساعتی
شکل 18) توان حقیقی (بالا) و راکتیو (پایین) تحویل داده شده توسط شبکه
ب) مورد آزمایشی 2: اصلاح پیک بارها در حین پریودهای پیک
قیمت برق در چندین کشور توسط تعرفه های TOU تحت تاثیر قرار گرفته است. در DSM، تجهیزات ذخیره سازی انرژی میتوانند برای کاهش بار (مسئولیت) تولید برق بطور مستقیم از شبکه توزیع در حین پریودهای پیک (زمانهای پیک مصرف)، مورد استفاده قرار بگیرند. مورد آزمایشی دوم، عملکرد ریزشبکه را برای دستیابی به اصلاح پیک به منظور کاهش قیمت تولید از شبکه در زمان DSM عمل مصرف کنندگان، نشان میدهد.
شکل 17 یک نمونه منحنی پاسخ بار (تقاضا) ساعتی در یک روز که با یک خط پر رنگ نشان داده شده است را نشان میدهد. در مورد آزمایشی 1، واحد DG اصلی کنترل شده است تا 20% تقاضای بار را تحویل دهد. برای دستیابی به اصلاح پیک در ساعت 11، SB در حالت دشارژ برای فراهم نمودن 20% (11.6 کیلووات) تقاضای بار، عمل میکند. با یک کاهش بیشتر 20% در توان تغذیه شده توسط شبکه، تقاضای بار کل در ساعت 11 توسط کل 40% همانطور که توسط خط چین در شکل 17 نشان داده شده است، کاهش یافته است.
شکل موج توان شبکه برای در شکل 18 نشان داده شده است. از شکل 18 میتوان مشاهده نمود که توان حقیقی تحویل داده شده توسط شبکه 60% (34.8 کیلووات) تقاضای بار با اصلاح پیک میباشد، و توان راکتیو تغذیه شده با واحد DG اصلی با جبران سازی مولفه های راکتیو جریانهای بار، صفر میباشد. شکل موج توان حقیقی تحویل داده شده توسط اینورتر 2 DG ِ (همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است) SB در حین دشارژ شدن در شکل 19 نشان داده شده است. از شکل 19 میتوان مشاهده نمود که SB توان حقیقی مورد نیاز حدود 20% (11.6 کیلو وات) تقاضای بار در حین اصلاح پیک، را تحویل میدهد.
ج) مورد آزمایشی 3: حذف بار در حین بهره برداری جزیره ای
در حین بهره برداری جزیره ای، تولید کل ریزشبکه، ممکن است قادر به حفظ تولیدش برای مواجه شدن با تقاضای توان بارها، نباشد. تحت این شرایط، شرکت مصرف کنندگان در DRM به بار غیر حساس (بحرانی) اجازه میدهند تا برای دستیابی به عملکرد پایدار ریزشبکه، برداشته شوند.
شکل 19) توان حقیقی تحویل داده شده توسط SB
مورد آزمایشی سوم عملکرد ریزشبکه را وقتی از شبکه جدا شده است، نشان میدهد. در این مورد آزمایشی، ریز شبکه در ابتدا در حالت متصل به شبکه برای ثانیه، عمل میکند. SB در ابتدا در حالت آماده بکار عمل میکند و SOC اش 80% میباشد. یک خطا بر روی شبکه بالا دست شبکه توزیع روی میدهد و CB برای قطع ریزشبکه از شبکه توزیع در t=0.2 ثانیه عمل میکند.
شکل 20 شکل موجهای توان حقیقی و راکتیو تغذیه شده توسط شبکه را نشان میدهد. میتوان از شکل 20 دید که CB برای جداسازی کامل ریزشبکه از شبکه توزیع در حدود نیمی از سیکل، عمل میکند، که منجر به توان حقیقی و راکتیو صفر تحویل داده شده از طریق شبکه برای
ثانیه، میشود. توان حقیقی تحویل داده شده توسط اینورتر 2 DG ِSB در شکل 21 نشان داده شده است. برای ثانیه، SB در حالت آماده بکار میباشد.
شکل 20) توان حقیقی (بالا) و راکتیو (پایین) تحویل داده شده توسط شبکه
شکل 21) توان حقیقی تحویل داده شده توسط SB
شکل 22) توان حقیقی (بالا) و راکتیو (پایین) مصرف شده توسط بارها
بعد از مقدار دهی اولیه عملکرد جزیره ای در t=0.2 ثانیه، اینورتر 2 DG توسط EMS جهت افزایش تولیدش برای فراهم نمودن توان حقیقی در حدود 12.5 کیلووات برای بارهایی که به عملکرد حالت ماندگار در حدود 3 سیکل می رسند، به کار گرفته شده است. تنها با واحد DG اصلی و تغذیه SB برای بارها، عدم تعادل توان در یک کاهش در فرکانس سیستم، که توسط EMS آشکار شده است، نتیجه میدهد. همچنین برای دستیابی به پایداری ریزشبکه در حین بهره برداری جزیره ای، حذف بار 3 (PL3=18 KW و QL3=18 KVAr) در t=0.4 s توسط EMSشروع شده بطوریکه تولید کل از واحد DG اصلی (PDG=27.5 KW و QDG=22.7 KVAr) و SB (Pb=12.5 KW) میتوانند با تقاضای توان توسط بارها روبرو شوند. یک تاخیر 0.2 ثانیه ای بین جداشدن ریزشبکه و حذف بار برای برآوردن حالت های گذرای فرکانسی که ممکن است بطور زودگذر بعلت برقرسانی بارهای بزرگ موتوری، رخ دهد، تعریف شده است. شکل موجهای توان حقیقی و راکتیو تحویل داده شده به بارها برای ثانیه در شکل 22 نشان داده شده است. میتوان از شکل 22 مشاهده نمود که وقتی بار 3 در t=0.4 s برداشته شده است، توان حقیقی و راکتیو کل تحویل داده شده به بارها بشدت کاهش می یابد تا بطور پایدار بترتیب در حدود 40 کیلووات و 22.7 کیلو ولت آمپر راکتیو در حدود 3 سیکل، مستقر شده و عمل کند.
نتيجه گيري :
در این مقاله، یک سیستم کنترلی که بهره برداری چندین اینورتر DG را در یک ریزشبکه برای حالات بهره برداری متصل به شبکه و جزیره ای هماهنگ میکند، ارائه شده است. کنترلر پیشنهادی برای اینورتر های DG مبتنی بر یک الگوریتم MPC اخیرا توسعه یافته میباشد که مسئله کنترلی را به منظور کاهش زمان محاسباتی کل به زیر مسایل حالت ماندگار و گذرا تجزیه میکند. همچنین کنترلر فیلترهای کالمن را به طرح کنترلی جهت استخراج طیفهای هارمونیکی جریانهای بار و تولید مراجع (قابهای مرجع) لازم برای کنترلر، ادغام میکند. اینورترهای DG میتوانند برای جریانهای هارمونیکی بار به یک طریق مشابه همانند جبرانسازهای متداول، بعنوان مثال فیلترهای فعال و غیر فعال (اکتیو و پسیو)، جبرانسازی کنند و از این رو هیچ تجهیز اضافی برای بهبود کیفیت توان نیاز نیست. جهت درک مفهوم ریزشبکه، توابع متفاوت مدیریت انرژی همچون اصلاح پیک و حذف بار نیز در مطالعات شبیه سازی نشان داده شده اند. نتایج تایید میکنند که ریزشبکه قادر به رسیدگی بطور موثر به شرایط بهره برداری مختلف در حین بهره برداری متصل به شبکه و جزیره ای میباشد، بنابراین قابلیت اطمینان و پایداری کل ریز شبکه را افزایش میدهد.
- demand response management ↑
- demand-side management ↑
- state-of-charge ↑
- energy-management system ↑
- Load forecasting ↑
- Unit commitment ↑
- economic dispatch ↑
- Ethernet ↑
- Point of common coupling ↑
- time of use ↑
- peak shaving ↑
- Load sharing ↑
- Current control mode ↑
- receding horizon fashion ↑
- state-of-the-art code generation techniques ↑
خلاصه شبیه سازی
کنترل هماهنگ و مدیریّت انرژی مولّدهای اینورتری توزیع‌شده در یک شبکه محلّی
اصول کار مدّعای این مقاله بر مبنای شمای کلّی ارایه شده در شکل 1 میباشد که همانگونه که توضیح داده شده است از دومولّد اینورتری یکی به صورت باتری (ذخیره‌ساز انرژی) و دیگری به صورت یک مولّد پاک متشکّل از یک سیستم فوتوولتائیک به عنوان جبران‌سازهایی برای اصلاح فالت‌های شبکه توزیع تشکیل شده است. دو حالت کلّی جهت کنترل رفتار مصرف‌کننده‌ها (بارها) برای این شبکه در نظر گرفته شده است: حالت متّصل به شبکه و حالت جدایی از شبکه توزیع اصلی. برای کنترل اتّصال و یا جدایی مولّدهای اینورتری و نیز مد مصرف‌کنندگی و یا تولیدکنندگی توان آن‌ها، از 2 استراتژی مدیریّت انرژی استفاده شده است که مطلب چندان سخت و دور از ذهنی نمیباشد و الگوریتم مربوط به آن در شکلهای 2 و 3 بدون هیچ‌گونه ابهام خاصّی ارایه شده است. در حالت اتّصال مبدّل‌های اینورتری به شبکه محلّی و استفاده از آن‌ها جهت جبران فالت‌های توان در شبکه توزیع، از یک الگوریتمی به صورت تخمین‌زن فیلتر کالمن استفاده شده است. بلوک‌دیاگرام مربوط به این الگوریتم کنترلی که در حقیقت زوایای آتش سوئیچ‌های مولّدهای اینورتری را تولید میکند در شکل 7 از مقاله ارایه شده است. همانگونه که در این شکل قابل مشاهده است، از دوفیلتر کالمن به عنوان تخمین‌زن استفاده شده است که یکی از آن‌ها کار تخمین رفتار مولّد اینورتری و دیگری کار تخمین “ورودی‌های خارجی” وارده به این مولّد‌ها را انجام میدهد که جزئیّات مربوط به تعریف این ورودی‌ها تحت عنوان مدل اینورتر در مقاله ارایه شده است. امّا نکته قابل تأمّلی که پیاده‌سازی این مقاله را با مشکل مواج کرده است، تعیین سیگنال مرجع برای تخمین‌زن فیلتر کالمن E/KF تحت عنوان سیگنال d است که متأسّفانه به مقالات مرجع ارایه شده نیز دسترسی وجود نداشت که از آن‌ها رویت شود. ضمن آن که در این مقاله(مانند بسیاری از مقالات مشابه در زمینه شاخه قدرت و الکترونیک صنعتی)، جزئیّات مربوط به شبیه‌سازی و پیاده‌سازی که در راستی‌آزمایی نتایج شبیه‌سازی بسیار ضروری است به طور کامل ارایه نشده است. به عنوان مثال، رفتار بار اوّل به طور کامل ذکر نشده و یا در مورد بار سوم که به عنوان یک بار غیرخطّی معرّفی شده است تقریباً برای خواننده مقاله ناشناخته است! همچنین، برای پیاده‌سازی تخمین‌زن‌ها، نقض ضرایط اوّلیّه بسیار مهم است که در مقاله باز هم بدان‌ها اشاره‌ای نشده است که چه مقادیری درنظر گرفته شده است.
با این اوصاف و با این سوالات کلیدی و مهمّی که پیش آمده است، پیاده‌سازی انجام‌گرفته تا قبل از مرحله کنترل‌کننده MPC برای حالت اتّصال به شبکه (grid connected) ارسال می‌گردد. مسلّم است که برای حالت جدایی از شبکه (isolated) نیز تفاوت ساختاری وجود نخواهد داشت. ضمن آن که به جای استفاده از شبکه به همراه ترانس، از یک مولّد سه فاز به همراه CB ها برای هر فاز استفاده شده است.
برخی از نتایج شبیه سازی با متلب:
کلید واژه :
Distributed generation (DG), energy management, microgrid, model predictive control (MPC). پروژه متلب
شبیه سازی مقاله Coordinated Control and Energy Management of Distributed Generation Inverters in a Microgrid
توسط کارشناسان سایت متلبی پیاده سازی گردیده و به تعداد محدودی قابل فروش می باشد.
سفارش انجام پروژه مشابه
درصورتیکه این محصول دقیقا مطابق خواسته شما نمی باشد،. با کلیک بر روی کلید زیر پروژه دلخواه خود را سفارش دهید.
دیدگاهها
هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.