بررسی و مرور فعالیت های انجام شده در خصوص مدل سازی دینامیکی عناصر موجود در ساختار میکروشبکه و مقالات مرتبط در حوزه کنترل فرکانس

ابتدا به ضرورت کنترل فرکانس می پردازیم به این دلیل که یکی از مهم ترین پارامترهای کنترلی مهم میکروشبکه، فرکانس می­باشد که تغییرات آن نمایان­گر تغییر در میزان تولید ومصرف است وبه همین دلیل از عوامل بسیار مهم در بهره برداری و کنترل وضعیت میکروشبکه محسوب می شود. در بهره برداری شبکه اطلاعات مربوط به فرکانس باید به صورت لحظه ای ثبت گردد و این بدان معنی است که حجم وسیعی از اطلاعات در یک محدوده زمانی باید ثبت و مورد بررسی قرار گیرد. لازم به توضیح است که تغییرات فرکانس بیش از مقدار نامی آن، افزون بر وارد آوردن صدمات به تاسیسات شبکه برق رسانی، بر وسایل مصرفی مشترکان برق نیز اثرات زیان باری خواهد داشت. همچنین در صورتی­که فرکانس میکروشبکه در حد مطلوب و مجاز کنترل نگردد موجب عدم پایداری و حتی فروپاشی شبکه می شود. عکس العمل سریع در تصحیح فرکانس میکروشبکه خصوصا در زمان وقوع خطا یکی از عوامل تعیین کننده در پایداری و عملکرد سیستم می باشد. به طور سنتی تصحیح کننده های فرکانس عمدتا نیروگاه های آبی مجهز به گاورنرهای سریع هستند که می توانندکل توان تولیدی خود را ظرف چند ثانیه به میزان قابل توجهی تغییر دهند. بنابراین برای حفظ پایداری و ایمنی شبکه، کنترل فرکانس باید به گونه ای انجام پذیرد که قابلیت انجام عملیات کنترلی در منطقه وجود داشته باشد. در میکروشبکه مورد بررسی در این پایان نامه برای کنترل فرکانس از کنترل­کننده  فازی خود تنظیم استفاه شده است که پارامترهای PI را به صورت real-time تنظیم می نماید.

در حقیقت بهره بردار سیستم، نظر به تغییر میزان مصرف شبکه همواره بخشی از ظرفیت ذخیره نیروگاه­های دارای قابلیت کنترل فرکانس را بصورت رزرو پیش بینی می کند. ذخیره های مورد نیاز در هر ساعت به گونه ای برنامه ریزی می شوند که در صورت وقوع بدترین حادثه، به گونه ای وارد مدار گردند که: اولاً فرکانس شبکه از محدوده مجاز خارج نشده و ثانیاً بار شبکه حذف نگردد. [48,49] به طور طبیعی انحراف فرکانس  از مقدار نامی در مد جزیره ای میکرو شبکه بسیار حادتر است.

بعد از جدا شدن میکروشبکه از شبکه اصلی، تغییرات فرکانس و نرخ توزیع آن در میکرو شبکة مستقل، به شرایط تعادل توان بستگی دارد. اگر تولید توان قبل از جزیره­ای شدن  کمتر (بیشتر) از تقاضای بار میکرو شبکه باشد،  فرکانس حاصل از توان واحدهای تولیدی میکرو شبکه کاهش (افزایش) می یابد.

با به کارگیری یک روش کنترلی مطلوب که دارای پاسخ سریعی نیز باشد می توان  استراتژی مناسبی را جهت تعادل توان حقیقی بین واحدها و  بار ایجاد کرد به گونه ای که تغییرات فرکانس شبکه در  محدوه مشخص شده قرار گیرد [50]

در این فصل ابتدا پیشینه ای از فعالیت های انجام شده در خصوص کاربرد پیل های سوختی در میکروشبکه  ارائه خواهد شد، سپس چالش های کنترل میکرو شبکه، مدل سازی دینامیکی میکرو شبکه و عناصر موجود در آن و در پایان مطالعات انجام شده در حوزه­ی کنترل فرکانس میکرو شبکه  مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

2-1) کاربرد های پیل سوختی در میکرو شبکه

در [5]Pukrushpan سه طرح کنترلی مختلف، جهت کنترل توان پیل سوختی را مطرح
می­کند (کنترل پیش خور حالت ماندگار، کنترل پیش خور دینامیکی و کنترل پس خور با ناظر) این طرح های کنترلی بر مبنای مدل­های کنترلی ارائه شده توسط خود مولفان، توسعه یافته است. در مرجع [6]Sun  به منظور حفاظت پیل سوختی از کمبود اکسیژن روشی ارائه می­کند. این روش بر اساس تنظیم جریان پیل سوختی استوار است. اساسأ خروجی پیل سوختی ولتاژ نامنظم DC است. هنگامی که جریان بار از صفر به ماکزیمم افزایش می یابد ولتاژ پیل سوختی بین 50 تا 70 درصد افت می کند [5]. بنابراین خروجی پیل سوختی باید تنظیم شود. در [6] روشی جدید برای طراحی سیستم های کنترل بهینه عصبی که موجب آن ولتاژ خروجی پیل سوختی PEM می تواند به وسیله کنترل فشار هیدروژن و اکسیژن کنترل شود، ارائه می­کند.

پیل های سوختی به یک واحد تنظیم توان که ضرورتا یک اینورتر DC به AC است نیازمندند. ولتاژ خروجی، فرکانس و توان سیستم به وسیله کنترل واحد تنظیم توان، تنظیم می­شوند. در مرجع [7]Jeraputra یک الگوریتم مقاوم برای مقابله با جزیره ای شدن سیستم، با تزویج پیل­های سوختی پراکنده و اجزای آن به وسیله سخت افزار مبتنی بر DSP از طریق کنترل اینورتر به عنوان واسطه بین پیل سوختی و شبکه ارائه می­کند. در [10]Senjyu یک سیستم قدرت را که در حالت ایزوله کار می­کند و از پیل­های سوختی به عنوان منبع اصلی انرژی به منظور برآوردن نیاز های بار استفاده می­کند، ارائه می­دهد.

مرجع [11] Kelouwani، سیستم قدرت ترکیبی دیگری را معرفی می­کند که در حالت مستقل از شبکه کار می کند و پیل های سوختی در آن همراه با مخزن هیدروژن به عنوان وسیله ذخیره انرژی هستند. در حقیقت مطالعات زیادی روی پیل های سوختی در خصوص کاربردهای توان در مقالات وجود دارد که بیشتر آن­ها مبین آن هستند که پیل های سوختی هم در حالت متصل به شبکه و هم مستقل از شبکه می­توانند کار کنند.  [10] Senjyu یک میکروشبکه شامل یک توربین بادی، یک ژنراتور دیزلی و پیل سوختی را ارائه می­کند. پیل سوختی در چنین سیستم هایی به عنوان یک وسیله ذخیره انرژی به منظور کم کردن نوسانات انرژی موجود توسط توربین بادی به کار می­رود. [12] Hernandez-aramburo طراحی را برای یک میکروشبکه شامل میکروتوربین، موتور­های دیزل و پیل سوختی پیشنهاد می­کند. [13] Lopes یک میکروشبکه شامل میکروتوربین، پیل سوختی، فتوولتائیک و ذخیره­ساز انرژی را پیشنهاد می­دهد. این میکروشبکه به یک شبکه ولتاژ پایین متصل می­شود. مولفان بسیاری روش شبیه سازی عددی را به منظور آنالیز و اعمال  استراتژی­های کنترلی لازم به  هنگام  وضعیت جزیره ای میکروشبکه به کار می­برند.

یکی از نکات دیگر تغییر پارامترهای فیزیکی پیل سوختی و ولتاژ خروجی DC آن به هنگام تغییر بار است که چندین استراتژی کنترلی در [14] به منظور حفظ ولتاژ خروجی ثابت پیل سوختی PEM به وسیله کنترل فشار هیدروژن و اکسیژن پیشنهاد شده است. از لحاظ تئوری ولتاژ خروجی پیل سوختی، می­تواند در مقدار ثابت حفظ شود. اما احتمالا برای بیشتر کاربردهای پیل سوختی به سبب محدودیت های فیزیکی نظیر ماکزیمم دبی سوخت، ماکزیمم فشار واکنش و ماکزیمم اختلاف فشار بین آند و کاتد سلول، ثابت ماندن ولتاژ پیل سوختی غیر عملی است. لذا خروجی پیل سوختی باید به وسیله یک واحد تنظیم توان تنظیم شود.

2-2) چالش های کنترل میکروشبکه

هنگامی که میکروشبکه به صورت مستقل کار می­کند، یک تغییر بار بزرگ ممکن است سبب یک انحراف شدید در ولتاژ شین یا فرکانس سیستم یا هردوی این­ها شود. این انحراف در ولتاژ یا فرکانس بدین خاطر است که، یک سیستم میکروشبکة مستقل ( مد جزیره ای)  معمولأ در مقایسه با شبکه های بزرگ، ذخیره سازهای انرژی کم­تری دارد. در نتیجه میکروشبکه، ذخیره انرژی کافی به منظور براوردن نیاز بار در هنگام به وجود آمدن اغتشاشات را ندارد.

مسئله بزرگ دیگر در میکروشبکه مستقل، پخش بار میان منابع انرژی در سیستم است. زیرا یک میکروشبکه ممکن است شامل چندین منبع انرژی باشد. اگر تمام منابع انرژی در سیستم از طریق اینورترها متصل شوند، می­توان تنظیم ولتاژ و فرکانس و اشتراک بار از طریق اینورترها را کنترل نمود. روش های زیادی به منظور کنترل فرکانس و پخش بار در میکروشبکه از طریق کنترل اینورترهای موازی در مقالات دیده می­شود[15]. مبدل­های موازی برای ارسال توان اکتیو و راکتیو درخواست شده به شبکه، به کار گرفته می­شوند. برای کنترل مبدل­ها از فیدبک سیگنال­های محلی استفاده می­­گردد، چرا که ممکن است، در سیستم های حقیقی، فاصلة زیاد بین مبدل ها ارتباط را غیر عملی کند. یک روش رایج به منظور پخش توان اکتیو و راکتیو استفاده از کنترل دروپ دو کمیت مستقل (فرکانس و دامنه ولتاژ ) می باشد[30].در این روش میزان توان اکتیو، عاملی برای کنترل فرکانس شبکه بوده و توان راکتیو دامنه ولتاژ را کنترل می­کند. در [31]، از کنترل غیر متمرکز به منظور کارکرد موازی مبدل‌ها استفاده می­شود. در روش کنترل ارائه شده، حلقه بیرونی توسط یک روش پخش توان پیشنهادی، ولتاژ مرجع خروجی مبدل را تعیین می­کند.

باید توجه نمود که در این پایان نامه عناصری چون میکروتوربین از طریق اینورتر به شبکه متصل نمی­شوند. لذا کنترل فرکانس از طریق کنترل اینورترها ممکن نیست. بیشتر تکنیک های کنترل که درکاربرد های تولید پراکنده به کار می­رود، هنوز بر مبنای مفهوم افت فرکانس برای نیل به پخش بار مناسب است که در این پایان نامه نیز به کار گرفته می شود.

بیشتر سایت های تولید پراکنده، امروزه از ژنراتورهای سنکرون استفاده می­کنند. با وجود این­که توجه خاصی به منابع انرژی تجدیدپذیر دارند. وقتی ژنراتورهای سنکرون با منابع DC مثل پیل­های سوختی و آرایه های فتوولتائیک به منظور شکل گیری یک میکروشبکه مستقل ترکیب می‌شوند. انتقال توان و کنترل میزان شارش آن، معمولأ به وسیله اینورترها انجام می­شود.

طبیعی است که بدون یک طرح کنترلی مناسب،  نمی توان نحوة اشتراک مصرف کننده ها با واحدهای تولیدی را مدیریت کرد. عملکرد و مشخصات یک میکروشبکه ترکیبی شامل پیل سوختی باید بیشتر بررسی و آنالیز شود تا بتواند برای ارضای نیاز مندی های مصارف الکتریکی، این منابع انرژی را کنترل کند.

2-3) مروری بر انواع مدل سازی دینامیکی عناصر موجود در ساختار میکروشبکه

مدل های دینامیکی مختلفی از پیل سوختی در مقالات ارائه شده است[16]. به طور کلی مدل‌های پیل سوختی موجود به دو دسته تقسیم می­شوند:

الف) مدل های ریاضی بر مبنای واکنش های شیمیایی برای تخمین عملکرد پیل سوختی

ب) مدل های نیمه تجربی که داده های تجربی را با معادلات پارامتری از طریق مقایسه با متغیرهای فیزیکی مثل فشار ، دما و … تنظیم می­کنند.

چندین مدل ریاضی در [17-19] ارائه شده است. به طور کلی انواع مختلف پیل های سوختی مدل های گوناگون دارند. برای مثال Padulles در [17] یک مدل دینامیکیSOFC برای شبیه سازی سیستم قدرت معرفی می­کند. البته مدل بعدأ توسط محققان دیگر به منظور کنترل سیستم قدرت و مطالعه مناسب روی پیل های سوختی PEM اصلاح شده است. پیل های سوختی PEM اساسأ در فشار و دمای کمتر در مقایسه با انواع دیگر پیل های سوختی کار می­کنند. به نظر می­رسد پیل های سوختی PEM یک منبع انرژی خوب برای سیستم های تولید پراکنده می­باشد. لذا مقالات زیادی در خصوص مدل های پیل های سوختی PEM وجود دارد.

تقریبأ همه مدل های تئوری شامل معادلات ریاضی تاکید روی وجوه مختلف عملکرد پیل سوختی دارند. این مدل ها برای شبیه سازی و رفتار گذرا و عملکرد ادوات پیل سوختی به کار می­روند و تعداد زیادی از آن ها به منظور مطالعه مشخصات دینامیکی پیل سوختی PEM و در نهایت اهداف کنترلی به کار می­روند. در هنگام توسعه مدل ها فرضیاتی به وجود می­آید. برای مثال واکنش دهنده ها گازهای ایده آل هستند. هیچ گونه گرادیان فشار و گرادیان دما بین آند و کاتد وجود ندارد.

مرجع [20]Amphlet  مدل سیستمی را معرفی می­کند که شامل یک پردازنده سوخت دیزل و پیل سوختی PEM برای شبیه سازی یک سیستم قدرت 250  کیلو واتی است. در [21] ٍElsharkhمدل SOFC ارائه شده در [17] را اصلاح و مدل های رفورمر متانول و واحد تهویه توان را به آن اضافه می­کند. در [22]Sedghisigarchi مدل دینامیکی مرجع [17] را به وسیله افزایش حرارت واکنش های شیمیایی داخل پیل سوختی توسعه می­دهد. در [9] Tanrioven یک مدل فضای حالت نیروگاه پیل سوختی PEM  متصل به شبکه که شامل مدل پیل سوختی PEM و مدل خروجی شبکه است را نشان می­دهد. در [40] Monaiمدلی از سیستم قدرت تولید پراکنده شامل یک سیستم فتوولتائیک مقیاس بزرگ، پیل سوختی و خازن دولایه الکتریکی و باتری را نشان می­دهد. این سیستم به منظور بهره برداری در یک حالت متصل به شبکه طراحی می­شود و مدل به عنوان یک مطالعه کنترلی به کار می­رود. در [10]Senjyu روی توسعه مدل میکروشبکه شامل یک توربین بادی، ژنراتور دیزلی و پیل سوختی است، بحث می­کند.

در [11]Kelouwani مدلی از سیستم قدرت ترکیبی در حال بهره برداری در مد مستقل که شامل توربین بادی، آرایه فتوولتائیک و پیل سوختی است، ارائه می­کند. اما پیل های سوختی در سیستم به عنوان یک ذخیره ساز انرژی به کار می روند. پیل های سوختی در میکروشبکه های امروزی به عنوان المان هایی کلیدی عمل می­کنند و عملکرد سیستم را تحت تاثیر قرار می­دهند. مدل های بیان شده هرگز اثر مقاومت داخلی و مشخصات دمایی که می­توانند اثر زیادی روی عملکرد سیستم داشته باشند را در نظر نگرفته است.

در [10] Senjyu مدل سازی دینامیکی توربین بادی را با استفاده از رابطه سرعت با دو توان ارائه می­دهد و معادلات دینامیکی را بر حسب مدل فضای حالت توربین بادی به دست می­آورد. در [23]Monai با استفاده از مشخصه ولتاژ بر حسب جریان و با توجهبه چیدمان سری یا موازی سلول های خورشیدی یک مدل ارائه می­دهد و در خصوص باتری به جای استفاده از معیار وضعیت شارژ به معرفی معیار اندازه‌گیری جدیدی به نام شارژ اضافی می­پردازد. در [20]Amphett با نادیده گرفتن  اثر انحراف سرعت روتور، یک مدل دینامیکی برای میکروتوربین ارائه می­دهد.

در [29]B.santosh، الکترولایزر را به وسیله یک تابع انتقال مرتبه اول شامل بهره تابع انتقال و یک ثابت زمانی مدل می­کند.

در مراجع[32,33]مدلی دینامیکی برای DG های میکروشبکه در مد متصل به شبکه اصلی ارائه شده است، در این مدل، تعامل بین منابع تولید لحاظ نشده است.

به منظور کنترل و به دست آوردن برنامه زمان‌بندی تولید و مصرف میکروشبکه، روش‌های مدل‌سازی میکروشبکه در مراجع [34-37]،ارائه شده است. مدل های ارائه شده، بیشتر در سطح مدیریت انرژی در سیستم میکروشبکه می­باشند. به عنوان نمونه، در مرجع [37]، میکروشبکه توسط یک سیستم ترکیبی تصادفی[1] (SHS) ، با توجه به رابطه بین تئوری SHS و مدل یک میکروشبکه، مدل شده است.

2-4) کنترل  فرکانس

توان و فرکانس سیستم در سیستم‌های قدرت سنتی، ارتباط مستقیم با عملکرد ژنراتورهای سنکرون دارند. وقتی بار به طور پیوسته و تصادفی تغییر می­کند تعادل بین مقدار واقعی و مطلوب تولید به صورت گذرا از بین می­رود و در نتیجه فرکانس سیستم نوسان کرده و انحراف ولتاژ به وقوع می­پیوندد. از شدت اختلاف بین مقدار واقعی و فرکانس سنکرون برای تجدید تعادل بین مقدار واقعی و مطلوب تولید استفاده می­شود. این روش به صورت سنتی کنترل فرکانس بار نامیده می­شود [24].

 فرکانس، رایج ترین فاکتور در شبکه های قدرت AC است و نوسانات فرکانس به گونه ای عدم تطابق بین تولید و تقاضا را نشان می­دهد. بنابراین برای چندین دهه LFC مرسوم ترین روش به کار رفته برای حفظ سیستم به وسیله تطابق بین تولید و مصرف در زمان واقعی است. در مرجع [25]T.ota به مطالعه کنترل بار فرکانس در یک میکروشبکه شامل یک واحد تولید پراکنده و ذخیره­ساز می­پردازد. وی اثر کنترل بار فرکانس به وسیله سیستم ذخیره را به صورت آزمایشگاهی انجام داده است. در [26]H.Beverni، اثر کنترل بار فرکانس در یک سیستم قدرت تجدید ساختار یافته و با لحاظ کردن نیازمندی های بازار بررسی شده است. در [27]S.St.Iliescu، برای مدل های زمانی پیوسته ساده؛ و واحد آبی موجود در میکروشبکه، روشی برای کنترل بار فرکانس ارائه می­دهد.

در مرجع [44] استراتژی کنترل لغزشی برای بهبود پایداری میکروشبکه‌ها ارائه شده است.
کنترل­کننده لغزشی با توجه به رفتار تصادفی و غیرخطی میکروشبکه‌ها و احتمال  بروز اغتشاشات ( جزیره‌ای شدن MG ) مورد بررسی قرار گرفته است. برای میکروشبکه‌هایی که یک واحد DG از مدار خارج شده و یا یک واحد DG به میکروشبکه اضافه شود، کنترل­کننده این قابلیت را دارد تا به سیستم کمک کند تا در وضعیت پایدار عمل کند. در این مرجع از یک کنترل­کننده لغزشی برای  یک DG سنکرون به­ عنوان پایدارساز سیستم قدرت^[2] استفاده شده است.

در مرجع [43] از کنترل کننده مد لغزشی برای کنترل میکروشبکه استفاده شده است. در مقاله مزبور، برای تثبیت فرکانس از تنظیم زمان مناسب سوئیچینگ مبدل ها استفاده شده و تابع  مرسوم علامت (sign) که در کنترل لغزشی مقادیر گسسته به کار گرفته می شود با تابع هیسترزیس جایگزین شده است.

مرجع [28] با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی و پایداری، یک روش بهینه کنترل فرکانس روی شبکه 30 شینه IEEE ارائه می کند. مرجع [26] یک روش کنترل فرکانس مقاوم در میکروشبکه شامل منابع تولید پراکنده را ارائه می­دهد این مرجع با ارائه یک ماتریس خطی و ترکیب کنترل کننده های مقاوم به مطالعه یک میکروشبکه با سه عنصر تولید کننده توان
 می­پردازد.

اخیرأ  تئوری منطق فازی و شبکه عصبی و شبکه فازی-عصبی به علت توانایی زیادشان در تخمین توابع غیرقطعی دقت پایین و غیرخطی به­عنوان تخمین­گر عمومی،مورد استقبال قرارگرفته­اند.در مقالات زیادی استفاده موفقیت­آمیز از منطق فازی و شبکه­های عصبی درسیستم کنترل نشان داده­شده­است. کنترل­کننده­های فازی طبیعت غیرخطی دارند وانتظار می­رود تا عملکرد مقاومی در شرایط بروز اغتشاش در سیستم داشته باشند. به خاطر طبیعت غیرخطی میکروشبکه به کار بردن کنترل­کننده­های فازی در DG ها مورد استقبال قرارگرفت. همچنین منطق فازی به خاطر انعطاف­پذیری وقدرت سازگاری­اش قابلیت plug and play را برای  DG ها فراهم می­کند. در مراجع[38-42] از کنترل کننده فازی و شبکه عصبی به منظور کنترل توان و فرکانس میکروشبکه استفاده شده است.

در مرجع [39]، برای کنترل میکروشبکه­ای که مجهز به یک مبدل منبع ولتاژ[3] و یک DG
(وظیفه VSC در میکرو شبکه، پخش توان دو جهته با شبکه اصلی از طریق مدیریت
سیگنال­های SPWM است) است، کنترل­کننده ای­ فازی پیشنهاد ­شده ­است که اهداف کنترلی آن پخش توان اکتیو و راکتیو مناسب در مد متصل و مد جزیره­ای می­باشد. در [38] یک کنترل­کننده فازی-عصبی برای افزایش پایداری میکروشبکه طراحی شده است.

مقالات مختلف در خصوص کاربرد‌های توان در سیستم های دارای پیل سوختی بررسی شد. در خصوص مدل سازی دینامیکی میکروشبکه و عناصر موجود در آن در مطالعات پیشین خلاصه ای بیان شد و بحث کنترل میکروشبکه به همراه چالش های پیش رو مورد بررسی قرار رفت. به طور کلی مطالعات انجام شده در حوزه کنترل فرکانس میکروشبکه تنها از عناصری چون ژنراتور سنکرون یا پیل سوختی استفاده نموده اند. به ندرت در مقالات دیده می­شود که مولفی عناصری مانند میکروتوربین، پیل سوختی، الکترولایزر، توربین بادی و سیستم فتوولتائیک توامأ در نظر گرفته باشد. در این پایان نامه با در نظر گرفتن تمام عناصر یاد شده به مطالعه کنترل فرکانس می پردازیم. همچنین در این پایان نامه به منظور کنترل فرکانس میکروشبکه (کنترل توازن توان تولیدی و مصرفی) از کنترل کننده PI فازی خود تنظیم استفاده شده است. کنترل کننده فازی به عنوان روشی  قدرتمند و جدید در این پایان نامه استفاده می­شود.

[1].Stochastic Hybrid System

[2]Power System Stabilizer (PSS)

[3]Voltage Source Converter(VSC)