خلاصه

در ریزشبکه ها که مجموعهای از تولیدات محلی و بارها هستند که تحت سیستم کنترل واحدی اداره میشوند، چالشهایی را با ظهور خود به وجود آوردهاند. کنترل فرکانس و ولتاژ ریزشبکه بهویژه در شرایطی که ریزشبکه از شبکه اصلی جداشده یک نمونه از این چالشهاست. تعادل بین تولید و مصرف در هرلحظه میتواند پایداری فرکانس را تضمین کند. یک ذخیرهساز که دارای سرعت پاسخ بالا در جذب یا تزریق انرژی باشد، میتواند پایداری فرکانس را بهبود بخشد. ذخیرهساز چرخ طیار دارای چنین مشخصهای است. در این مقاله ساختار جزئی ذخیرهساز چرخ طیار و استراتژی کنترلی جهت کنترل فرکانس ارائهشده است. جهت کنترل مبدل سمت ماشین از روش کنترل میدان گرا (FOC) استفاده شده است. جهت بررسی مدل و استراتژی پیشنهادی دو مورد جزیرهای شدن در محیط نرمافزار MATLB/Simulink مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیهسازیها تأثیر مفید ذخیرهساز در بهبود وضعیت فرکانس را نشان میدهد.

کلمات کلیدی: ریزشبکه، جزیرهای شدن، تنظیم فرکانس، ذخیرهساز چرخ طیار.

.۱ مقدمه

امروزه، پیشرفتهای اخیر در حوزه تولید انرژی الکتریکی و افزایش توجه به انرژیهای سبز و پاک باعث شده است تا گرایش به استفاده از این تولیدات در قالب تولیدات پراکنده افزایش یابد. به مجموعهای از این تولیدات محلی و ذخیرهسازهای الکتریکی که در مجاورت بارها در سطح ولتاژ پایین هستند و کل مجموعه تحت یک سیستم کنترلی واحد اداره میشود، ریزشبکه اطلاق میشود.[۱] در این ریزشبکه ها ممکن است از منابع تولید پراکندهای مانند میکروتوربین، توربین باد، سلولهای سوختی و سلولهای خورشیدی استفاده شود. این ریزشبکه ها قابلیت اطمینان را افزایش و کیفیت توان را بهبود میدهند و از آنجائی که فاصله بین بار و تولید را کاهش مییابد، تلفات نیز کاهش مییابد.[۵] شکل ۱ نمونهای از یک ریزشبکه را نشان میدهد.

یک ریزشبکه میتواند در دو مد عملکردی ممکن کار کند. در حالت متصل به شبکه یا منفصل از شبکه. در مد متصل به شبکه، شبکه اصلی ولتاژ و فرکانس ریزشبکه را تحمیل میکند و تولیدات پراکنده به خاطر اندازه کوچک از شبکه اصلی پیروی میکنند. اما گاهی به دلایل اقتصادی ، بهرهبرداری یا حفاظتی ریزشبکه از شبکه اصلی جدا میشود و در مد منفصل از شبکه کار کند.

یک ریزشبکه ممکن است شامل تولیداتی مانند سلولهای سوختی یا سلولهای نوری باشد که ولتاژ DC دارند و یا تولیداتی نظیر میکروتوربین که ولتاژ AC با فرکانس بالا تولید میکند. از آنجائی که فرکانس شبکه ۵۵ یا ۰۵ هرتز است درنتیجه برای اتصال چنین منابعی به مبدلهای رابط الکترونیک قدرت نیاز است.[۰]

این مبدلهای رابط علاوه بر تسهیل اتصال منبع به شبکه، امکان کنترلپذیری بیشتر را به منابع میافزاید. منابع در شرایط مختلف مانند وضعیت اتصال ریزشبکه با شبکه اصلی مدهای کنترلی متفاوتی دارند. در حالت متصل به بشکه چنانچه ریزمنابع تولیدیداشته باشند، معمولاً میزان توان اکتیو و راکتیو آنها تحت کنترل قرار میگیرد. این مد کنترلی را کنترل توان اکتیو- راکتیو یا PQ مد گویند. اما زمانی که ریزشبکه از شبکه اصلی جداشده یک یا

۱ دانشجوی کارشناسی ارشد
۲استاد
۳ دانشجوی دکتری برق

دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در »مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
۲nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering

چند منبع باید کنترل ولتاژ و فرکانس ریزشبکه را بر عهده گیرند. این مد کنترلیکه معمولاً براساس قوانین روش افتی انجام میپذیرد، کنترل ولتاژ-فرکانس یا V/f مد گویند.[۹-۷]

در [۱۵] در مورد عملکرد جزیرهای ریزشبکه ای شامل ماشین سنکرون و ریز منابع متکی به اینورتر بحث شده است و همچنین فرایند جزیرهای شدن در [۱۱] بررسیشده است. در این مقاله فرض شده است جزیرهای شدن از قبل برنامهریزیشده است که چنانچه جزیرهای شدن از قبل برنامهریزی نشده باشد، ریز منابع باید به تجهیزات خاصی برای شناسایی جزیرهای شدن مجهز شود که در [۱۵-۱۲] مورد بررسی واقعشده است.

FW DC
AC PV

AC DC

DC
DC AC
AC

LV

MV

TS

AC

DC

DC

DC

MT

شکل .۱ ساختار یک ریزشبکه نمونه

زمانی که ریزشبکه جزیرهای شود ، فرکانس ممکن است از مقدار نامی منحرف شود و به اجزای ریزشبکه آسیب برساند. در چنین شرایطی استفاده از سیستمهای ذخیرهساز با کاربرد استراتژی کنترلی مناسب به کاهش این نوسانات کمک میکند. در [۱۰] با استفاده از ذخیرهساز باتری تلاش شده است تا رفتار ریزشبکه تحت تأثیر جزیرهای شدن بهبود یابد و در [۱۷] ظرفیت بهینه باتری برای کاهش ریسک عملکرد ریزشبکه در شبکه مورد مطالعه انجام شده است. اما ذخیرهساز باتری دارای معایبی مانند مشکلات زیستمحیطی و هزینه های مربوط به نگهداری است. از طرفی دیگر ذخیرهساز چرخ طیار در مقایسه با باتری دارای بازده بالاتر، حجم کمتر و دمای کارکرد پایینتر است.[۱۱]

در [۱۹] نیز از ذخیرهساز چرخ طیار در شبکه برقرسانی کشتی که دارای بارهای حساس است، جهت رفع افت ولتاژهای ناشی از اتصالات کوتاه و یا کلیدزنی بارهای حساس، استفاده شده است. در این کاربرد، ذخیرهساز بهصورت سری در مسیر بار قرار گرفته و با استفاده از استراتژی کنترلی تعریف شده ولتاژ بار را در حد یک پریونیت نگه میدارد. مؤلفین در [۲۵] کاربرد ذخیرهساز چرخ طیار در ریزشبکه ها مورد بررسی قرار دادند.دو روش کنترلی PQ و V/f برای آن استفاده شده است و در هر یک درباره ولتاژ و فرکانس بحث شده است. اما در این مقاله مدل استفاده شده برای ذخیرهساز بهصورت یک منبع ایده آل ولتاژ DC متصل به یک مبدل در نظر گرفتهشده است که درنتیجه دینامیک ذخیرهساز را در نظر نگرفته است. در [۲۱] نیز یک مدل بر پایه نرمافزار MTLAB ارائهشده است و سپس در ریزشبکه شامل بارهای حساس استفاده شده است و جزیرهای شدن مورد مطالعه قرار گرفته است. اما در این ریزشبکه ریزمنابع با سرعت پاسخ پایین در نظر گرفته نشده است.

روش کنترل مستقیم گشتاور (DTC) و کنترل میدان گرا (FOC) دو روش کنترل برداری است که میتواند برای کنترل مبدل سمت ماشین ذخیرهساز چرخ طیار به کار برود. این دو روش امکان کنترل مجزای شار و گشتاور را در ماشین فراهم میکند.[۲۲] با کاربرد چنین روشهای کنترلی، ماشین القایی را میتوان مانند یک ماشین تحریک جداگانه DC در شرایط مختلف کنترل نمود. همچنین این روشها برای کنترل ماشین القایی و ماشین آهنربا دائم به کار گرفته میشود.

روش کنترل مستقیم گشتاور، دیاگرام سادهتری داراست و نیاز به کنترلر های جریان و کلیدزنی مدولاسیون پهنای باند ندارد. همچنین این روش پاسخ حالت مانا و گذرای گشتاور خوبی دارد. اما در مقایسه با روش کنترل میدان گرا، این روش چند عیب دارد. در روش کنترل مستقیم گشتاور، کنترل

دومین همایش ملی پژوهش های کاربردی در »مهندسی برق، مکانیک و مکاترونیک«
۲nd National Conference on Applied Researches in Electrical, Mechanical and Mechatronics Engineering

ماشین در سرعتهای پایین به علت نویزپذیری بالاتر، مشکلتر است و ریپل های جریان و گشتاور در این روش بسیار بالاست.[۲۲] در مقابل روش کنترل میدان گرا دارای بازده بالاتر، پاسخ دینامیکی بهتر، کاهش ریپل های گشتاور, نویز صوتی کمتر و محدوده عملکرد سرعت گستره تر است.

در این مقاله یک مدل جز به جز از ذخیرهساز چرخ طیار شرح دادهشده است. یک ذخیرهساز چرخ طیار شامل یک ماشین القایی با روش کنترلی میدان برداری گرا در این مقاله استفاده شده است. سپس با تعریف یک استراتژی کنترلی مناسب، آن برای بهبود کنترل فرکانس در ریزشبکه جزیرهای بهکاررفته است. در بخش بعدی ساختار ریزشبکه مورد مطالعه بررسیشده و سپس ساختار ذخیرهساز چرخ طیار و روش کنترلی مورداستفاده برای کنترل فرکانس بهصورت جز به جز بیانشده است. شبیهسازیها با نرمافزار MATLAB/Simulink انجامشده و نهاتاًی نتایج آن ارائهشده است.