تحلیل و ارزیابی کنترل فرکانس مشارکتی ترکیبی ریز شبکه جزیره‌ای در حالت برون‌رفت پانل خورشیدی و تغییرات بار

نوع مقاله: مستخرج از پایان نامه

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی برق قدرت، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران.

2 استادیار، عضو هیات‌علمی دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران (مسوول مکاتبات).

3 دانشیار، عضو هیات‌علمی دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران.

10.22034/jest.2019.22825.3229

چکیده

زمینه و هدف: در این مطالعه هدف اصلی کنترل فرکانس ریز شبکه در حالت جزیره‌ای با سناریوهای ممکن الوقوع است. ریز شبکه‌ها قابلیت عملکرد در حالت مستقل از شبکه یا جزیره‌ای رادارند. یکی از مهم‌ترین مشکلات رایج در ریز شبکه‌ها در حالت عملکرد مستقل ناپایداری فرکانس و یا نوسانات فرکانس است.
روش بررسی: در جهت کنترل سریع فرکانس در هرلحظه باید تعادل توانی مابین تولید و مصرف برقرار شود که این مهم توسط منابع ذخیره انرژی از قبیل باتری قابل انجام است. واحد باتری همراه باواسط ادوات الکترونیک قدرت (سیستم ذخیره انرژی باتری) به دلیل دارا بودن زمان پاسخ دینامیکی خیلی سریع اگر به‌خوبی طراحی‌شده باشد می‌تواند به پایداری فرکانس سیستم از طریق تزریق یا جذب توان اکتیو کمک کند. با شبیه‌سازی در محیط MATLAB/SIMULINK و ارائه روش کنترلی مشارکتی دو سناریو تعریف می‌شود، سناریو اول ریز شبکه جزیره شده صرفاً با تغییرات بار است؛ اما در سناریو دوم علاوه بر تغییرات بار پانل خورشیدی هم از ریز شبکه خارج می‌شود.
یافته‌ها: در هر دو سناریو با تغییرات بار و برون‌رفت پانل خورشیدی با روش کنترلی شبیه‌سازی‌شده پیشنهادی، مشاهده شد که نوسانات فرکانس در حد چند دهم ثانیه به 50 Hz بازمی‌گردد و در همین زمان باتری پس از اعمال توان به مقدار کمینه خود بازمی‌گردد. همچنین انحرافات ولتاژ را در محدوده‌ی نرمال خود نگاه می‌دارد. با تنظیم ضرایب کنترلی این روند میرایی برای فرکانس را می‌توان بهبود بخشید.
نتیجه‌گیری: روش کنترل فرکانس مشارکتی جدید بانام کنترل فرکانس ترکیبی سیستم ذخیره انرژی باتری و دیزل ژنراتور ارائه داده شد. این کنترل مشارکتی روش کار آیی را در طول عملکرد جزیره‌ای برای کنترل نوسانات فرکانس و بازگرداندن توان سیستم ذخیره انرژی باتری به کمینه ارائه می‌دهد و با تنظیم ضرایب کنترلی این روند میرایی برای فرکانس را بهبود بخشید.

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یکم، شماره هفت، مهر ماه 98

تحلیل و ارزیابی کنترل فرکانس مشارکتی ترکیبی ریز شبکه جزیره‌ای در حالت برون‌رفت سلول خورشیدی و تغییرات بار

 

مریم رحمانی[1]

فرامرز فقیهی[2]*

Faramarz_Faghihi@hotmail.com

بابک مظفری[3]

تاریخ دریافت: 29/09/95

تاریخ پذیرش: 27/11/97

چکیده

زمینه و هدف:در این مطالعه هدف اصلی کنترل فرکانس ریز شبکه در حالت جزیره‌ای با سناریوهای ممکن الوقوع است. ریز شبکه­ها قابلیت عملکرد در حالت مستقل از شبکه یا جزیره­ای را دارند. یکی از مهم‌ترین مشکلات رایج در ریز شبکه‌ها در حالت عملکرد مستقل ناپایداری فرکانس و یا نوسانات فرکانس است.

روش بررسی: در جهت کنترل سریع فرکانس در هرلحظه باید تعادل توانی مابین تولید و مصرف برقرار شود که این مهم توسط منابع ذخیره انرژی از قبیل باتری قابل انجام است. واحد باتری همراه با واسط ادوات الکترونیک قدرت به دلیل دارا بودن زمان پاسخ دینامیکی خیلی سریع می­تواند به پایداری فرکانس سیستم از طریق تزریق یا جذب توان اکتیو کمک کند. معمولاً در راستای بیش ترین استفاده از ظرفیت باتری روش کنترلی کارآ بسیار مهم خواهد بود. با شبیه‌سازی در محیط MATLAB/SIMULINK و ارایه روش جدید کنترلی مشارکتی ترکیبی دو سناریو تعریف می‌شود، سناریو اول ریز شبکه جزیره شده صرفاً با تغییرات بار است؛ اما در سناریو دوم علاوه بر تغییرات بار پانل خورشیدی هم از ریز شبکه خارج می‌شود.

یافته‌ها:در هر دو سناریو با تغییرات بار و برون‌رفت سلول خورشیدی روش کنترلی پیشنهادی شبیه سازی شده است. مشاهده شد که نوسانات فرکانس در حد چند دهم ثانیه میرا شده و در همین زمان باتری پس از اعمال توان به مقدار کمینه خود بازمی‌گردد. همچنین انحرافات ولتاژ را در محدوده‌ی نرمال خود نگاه می‌دارد. با تنظیم ضرایب کنترلی این روند میرایی نوسانات برای فرکانس را می‌توان بهبود بخشید.

بحث و نتیجه‌گیری: روش کنترل فرکانس مشارکتی جدید با نام کنترل فرکانس مشارکتی ترکیبی سیستم ذخیره انرژی باتری و دیزل ژنراتور ارایه داده شد. این کنترل مشارکتی روش کار آیی را در طول عملکرد جزیره‌ای برای کنترل نوسانات فرکانس و بازگرداندن توان BESS به کمینه ارایه می‌دهد و با تنظیم ضرایب کنترلی می‌توان این روند میرایی برای نوسانات فرکانس را بهبود بخشید.

واژه‌های کلیدی: سلول خورشیدی، کنترل مشارکتی، ریز شبکه، کنترل فرکانس، سیستم ذخیره انرژی باتری.

J. Env. Sci. Tech., Vol 21, No.7,September, 2019

 

 

 

 


Analysis and Evaluation of Hybrid Cooperative Frequency Control for Micro Grids in Islanding Mode in Case of Solar Panel Outage and Load Variation

 

Maryam Rahmani[4]

Faramarz Faghihi[5]*

Faramarz_Faghihi@hotmail.com

Babak Mozafari[6]

Accepted: 2017.02.15

Received: 2016.12.19

 

Abstract

Background and Objective: This paper proposes frequency control of micro grids in islanding mode with expected scenarios. Micro grids are able to operate in islanding mode. One of the most important difficulties for micro grid in islanding mode is frequency instability or frequency fluctuation.

Method: For rapid Frequency Control, power balance between generation and consumption should be provided momentary which can be achieved with ESS like batteries. Battery station with power electronics devices interface (BESS) due to having very fast dynamic response well designed can lead to improve frequency stability via absorption or injection of active power. Normally to achieve maximum usage of battery capacity considering available charge, choosing efficient control method is so crucial. Two different scenarios are considered to prove of efficiency of proposes cooperative control method using MATLAB/SIMULINK software. In the first scenario on islanding mode micro grid is studied in case of load variation but in another scenario both solar panel outage and load variation solar occurrence are simulated.

Findings: In both scenarios, the proposed control method is simulated by changing the load and solar cell outflow. It was observed that the frequency oscillations were attenuated by a few tens of seconds and at the same time the battery returned to its minimum value after power was applied. It also keeps the voltage deviations within its normal range. By adjusting the control coefficients, this damping process for frequency fluctuations can be improved.

Discussion and conclusion: A new cooperative frequency control method is introduced by combination of frequency control strategy and battery energy storage system via diesel generator attendance, the suggested method presents an efficient method during islanding mode operation of micro grid for frequency fluctuation considering minimum requested power of BESS, provide setting of control coefficients causes improvement of damping rate as well.

Key words: Solar panel, Cooperative Control, Micro Grid, Frequency Control, Battery Energy Storage System.

 

مقدمه

 

ریز شبکه قسمتی از شبکه توزیع (ولتاژ متوسط یا ولتاژ ضعیف) است که شامل منابع تولید پراکنده (اعم از منابع گازی، تجدید پذیر و ذخیره­ساز انرژی) و بارهای الکتریکی داخل آن می­باشند. ریز شبکه قادر است در دو حالت متصل به شبکه و جدا از شبکه عمل کند. وظیفه انطباق دادن تولید و مصرف در حالت متصل به شبکه بر عهده شبکه اصلی و در حالت جدا از شبکه بر عهده منابع ذخیره­ساز انرژی داخل ریز شبکه است (1، 2). در حالت جزیره­ای حفظ شاخصه‌های کیفیت توان ریز شبکه کاملاً به عهده منابع داخل ریز شبکه هست درحالی‌که در حالت متصل به شبکه تا حد زیادی خود شبکه کیفیت توان مطلوب را برای بارهای ریز شبکه که مقدار زیادی از آن‌ها هارمونیکی و نامتعادل می­باشند تأمین می­نماید، هرچند که منابع داخل ریز شبکه نیز می­توانند در این امر به شبکه اصلی کمک کنند (3). ذخیره کوتاه‌مدت و بلندمدت منابع ذخیره­ساز ریز شبکه نقش مهمی در مدیریت منابع و بارهای ریز شبکه خواهند داشت، بنابراین باید برنامه­ریزی صحیحی در مدیریت توان و انرژی ریز شبکه انجام شود (4). با توجه به تفاوت­های شبکه­های برق معمول در سطح توزیع با ریز شبکه‌ها، طراحی، بهره­برداری و حفاظت از ریز شبکه‌ها دارای نکات جدیدی می­باشد.. یک ریز شبکه شامل فقط منابع انرژی تجدید پذیر (RES)[7] و واحدهاCHP [8] مرسوم نظیر دیزل ژنراتور و میکرو توربین، به علت مشخصه­ی ذاتی­شان به‌سختی می­توانند عملکرد دینامیکی خوبی در حالت جزیره­ای داشته باشد. منابع انرژی تجدید پذیر، طبیعت تناوبی دارند زیرا توان خروجی آن‌ها بستگی به وجود منابع اولیه باد، خورشید و غیره دارد و بنابراین آن‌ها نمی­توانند تأمین توان موردنیاز برای بار را تضمین کنند. از سوی دیگر، سیستم­های CHP به علت عملکرد دینامیکی نامناسبشان هنگام تغییرات بار، محدود هستند (5، 6). همچنین، فرکانس ریز شبکه ممکن است به علت وجود اینرسی کم ریز شبکه به‌سرعت تغییر کند. بنابراین کنترل فرکانس یکی از مهم‌ترین مباحث در عملکرد جزیره­ای است. برای غلبه بر این محدودیت­ها سیستم ذخیره­ساز انرژی (ESS)[9] به‌عنوان یک‌راه حل مناسب معرفی و موردبررسی قرار می­گیرد. سیستم ذخیره­ساز انرژی بر اساس ادوات الکترونیک قدرت بوده و دارای زمان پاسخ خیلی سریعی است. بنابراین یک سیستم ذخیره­ساز انرژی خوب طراحی‌شده می­توانند به پایدارسازی سیستم از طریق جذب یا تزریق توان لحظه­ای کمک کند. در برخی از مطالعات از سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی دیگری نظیر SMES[10] برای کنترل فرکانس استفاده‌شده است. همچنین تعدادی از مطالعات پیشین درزمینه‌ی به‌کارگیری ESS برای پایدارسازی سیستم­های قدرت و منابع انرژی تجدید پذیر (RES) وجود دارد. در (7) تا (9)، یک طرح کنترلی برای کاهش نوسانات توان سیستم تولید انرژی بادی ارائه‌شده است. این طرح از انرژی ذخیره‌شده در ESS برای صاف کردن توان خروجی توربین بادی استفاده می­کند. علاوه بر این، ESS می­تواند در پایداری فرکانس سیستم قدرت هم شرکت کند. در (10) تا (12)، سیستم­های ذخیره­ساز انرژی سریع عمل‌کننده، به‌طور مؤثری می­توانند نوسانات الکترومکانیکی در سیستم قدرت را میرا کنند زیرا این سیستم‌ها می­توانند یک ظرفیت ذخیره­ای را علاوه بر انرژی جنبشی رتور ژنراتور فراهم‌کنند که می­توانند تغییرات ناگهانی توان را جبران کنند. بحث معرفی ESS در ریز شبکه در (13) تا (17) ارایه‌شده است. منابع تولید پراکنده باواسطه­های الکترونیک قدرت در (13) تا (15) ارایه شده­اند. در جهت کنترل سریع فرکانس در هرلحظه باید تعادل توانی مابین تولید مصرف برقرار شود که این مهم توسط منابع ذخیره انرژی از قبیل باتری قابل انجام است (6). واحد باتری همراه باواسط ادوات الکترونیک قدرت جهت دنبال کردن تغییرات میکروسکوپیک بار به‌کاربرده می­شود زیرا آن‌ها زمان پاسخ دینامیکی خیلی سریعی دارند (18)؛ بالطبع حد ظرفیت باتری مورداستفاده محدود است. همچنین اگر ریز شبکه نتواند، در زمان مناسب به هدف نیل کند، عملکرد و پایداری کل سیستم تحت تأثیر قرار می‌گیرد (19). سیستم DG شامل یک سیستم ذخیره‌ساز منبع انرژی اولیه یا باتری (ESS) و یک اینورتر است.ESS  در لینک مشترک dc نصب‌شده است تا توان خروجی آهسته‌تر منبع انرژی اولیه به‌خصوص سلول سوختی را تکمیل کند. ریز شبکه می‌تواند از طریق نصب ESS در DG هایی که دارای منبع انرژی اولیه با پاسخ نسبتاً آهسته هستند، در حالت عملکرد جزیره‌ای و حتی تغییرات ناگهانی بار به‌صورت پایداری عمل کند. مفهوم کنترل که شامل کنترل اولیه و ثانویه است برای پایداری فرکانس در ریز شبکه پیشنهادشده است (20). این مفهوم از روش کنترل فرکانس در شبکه قدرت بزرگ تقلیدشده است.ESS توان را از طریق مشخصه دروپ جذب یا تزریق می‌کند و انحراف فرکانس با AGC کنترل‌کننده‌ی نظارتی حذف می‌شود در راستای بیش ترین استفاده از ظرفیت باتری، روش کنترلی کارآ بسیار مهم خواهد بود. بالطبع پایداری ریز شبکه پس از قرار گرفتن در حالت جزیره‌ای پارامتر بسیار مهم در سیستم تجدید ساختار شده خواهد بود. آن چه در این مقاله انجام می­شود میرا کردن نوسانات فرکانس در حداقل زمان ممکن است که برای این کار از کنترل‌کننده مشارکتی PI استفاده می­شود.

 

روش بررسی

ریز شبکه را می­توان به‌صورت یک سیستم انرژی یکپارچه که شامل بارها، شبکه­ی توزیع و واحدهای DG هست تعریف کرد (21). تحت شرایط عادی یک ریز شبکه در حالت متصل به شبکه عمل می­کند و شبکه ولتاژ و فرکانس ریز شبکه را تحمیل می­کند. عملکرد سیستم در حالت جزیره نسبت به حالت متصل به شبکه بسیار حساس است. برخی از عواملی که عملکرد ریز شبکه جزیره وابستگی زیادی به آن‌ها دارد عبارت است از: استراتژی کنترل واحدهای DG، نوع رابطی که واحدهای DG از طریق آن به بار محلی وصل شده­اند و نوع بار. کنترل اینورتر های واسط منابع در ریز شبکه به روش‌های گوناگونی انجام می‌شود که متداول‌ترین آن‌ها عبارت‌اند از: کنترل PQ، کنترل دروپ و کنترل v/f. در این راستا کنترل ریز شبکه جزیره‌ای به روش‌های متمرکز و غیرمتمرکز انجام می‌شود که در این مقاله مبتنی بر اصول روش کنترل متمرکز ریز شبکه جزیره‌ای، از استراتژی کنترل مشارکتی استفاده می‌شود.

استراتژی کنترل مشارکتی باتری و دیزل ژنراتور

مفهوم اصلی عملکرد مستقل شامل کنترل مشارکتی، منابع ذخیره انرژی و سایر ریز منابع می‌شود. در طول عملکرد جزیره‌ای، میزان توان تولیدی و مصرفی در هرلحظه یکسان نیست. درنتیجه فرکانس و ولتاژ ریز شبکه نوسان و سیستم یک خاموشی را تجربه خواهد کرد مگر این که یک فرآیند برقراری تعادل توان مناسب موجود باشد. در حالت عملکرد جزیره‌ای با متعادل‌سازی مناسب توان ESS، ولتاژ و فرکانس ریز شبکه می‌توانند در مقادیر نامی تنظیم شوند. این تحقیق روش کنترل مشارکتی ریز شبکه را در حالت عملکرد جزیره‌ای برای فرکانس نشان می‌دهد. در این طرح کنترلی، ساختار کنترل مشارکتی دولایه به کار می رود. عمل کنترل اولیه در ESS و عمل کنترل ثانویه در سیستم مدیریت ریز شبکه (MMS) انجام می‌شود.



شبیه‌سازی مدل سیمولینک

 


 

شکل 1- سیستم نمونه شبیه‌سازی‌شده

Fig 1- The model system simulated

 

 

سیستم ریز شبکه شامل یک فیدر 380V است که به شبکه توزیع متصل شده است. همچنین ریز شبکه دارای یک پانل خورشیدی، دو دیزل ژنراتور، سیستم ذخیره­ساز انرژی باتری، کلید انتقال استاتیکی (STS)[11] و چهار بار است. اجزای ریز شبکه از طریق خطوط ولتاژ پایین 380 ولتی به باس 380 ولت متصل شده­اند. سیستم PV دارای ظرفیت KW 20 است چون توان تولیدی پانل خورشیدی dc است از طریق مبدل الکترونیک قدرت به ریز شبکه متصل شده­اند.BESS  در نزدیکی PCC به باس220V متصل شده است و زمانی که سیستم به حالت عملکرد جزیره­ای می­رود مورداستفاده قرار می­گیرد. سیستم همچنین دارای دو منبع دیزل ژنراتور 18KVA و 13KVA است. کلید انتقال استاتیکی به باس 220V وصل شده است و برای جداسازی ریز شبکه از شبکه اصلی به کار می­رود. سه بار از نوع خطی و RL است. جدول 1 مشخصات سیستم موردمطالعه را نشان می­دهد

 

 

 

جدول 1- مشخصات سیستم

Table 1-System specification

18 KVA

Diesel generator1

13KVA

Diesel generator2

20 KW

PV Panel

560 KWh

BESS

(2+j3) to (6+j3) k controllable

Load PV

15+j8 K

Load D/E1

9+j8 K

Load D/E2

1 to 4 KW

Controllable

Load

0.1+0.045j

Line impendence

مدل دیزل ژنراتور

دیزل به‌عنوان منبع تولید پراکنده جهت بالانس انحراف بار استفاده می‌شود. دیزل ژنراتور از یک تحریک‌کننده و یک گاورنر مطابق شکل 2 تشکیل‌شده است. با تغییر توان مکانیکی ورودی، نقطه تنظیم توان خروجی دیزل ژنراتورها تغییر می‌کند. این دیزل ژنراتور حالت گذرای بالایی دارند. درنتیجه در ابتدا در شبیه‌سازی سیستم به دلیل این حالت گذرای بالا به صورت نوسانی تا 4/0 ثانیه ابتدایی مشاهده می‌شود به همین دلیل شکل‌ها از 5/0 ثانیه شروع می‌شوند.


مدل سیستم ذخیره انرژی باتری

شکل 2 ساختار  کنترلی سیستم ذخیره انرژی باتری (BESS) و را نشان می‌دهد. کنترل‌کننده شامل کنترل‌کننده‌ی عملکرد شبکه اصلی و کنترل‌کننده جریانی dq است. سیستم ذخیره ساز انرژی بر اساس ادوات الکترونیک قدرت بوده و دارای زمان پاسخ خیلی سریعی است. بنابراین یک سیستم ذخیره‌ساز انرژی خوب طراحی‌شده می‌توانند به پایدارسازی سیستم از طریق جذب یا تزریق توان لحظه‌ای کمک کند. مدل‌های مختلف بسیاری برای باتری با در نظر گرفتن ورودی‌های مختلف ازجمله مقدار شارژ، دما و طول عمر تعریف‌شده است.

 

           

 

شکل 2-. ساختار سیستم ذخیره انرژی باتری

Fig 2- The structure of the battery energy storage system

 

 

مدل سلول خورشیدی

در این مقاله برای شبیه‌سازی سلول خورشیدی از یک منبع ولتاژ DC و اینورتر و سیستم کنترلی مربوط به آن استفاده‌شده است. به این ترتیب که سیستم کنترلی با نمونه برداری از جریان خط و مدولاسیون PWM با تعیین زاویه آتش اینورتر، مقدار توان لازم را فراهم می کند (28).

 

یافته‌ها و بحث

ابتدا روش پیشنهادی کنترل مشارکتی ترکیبی و کنترل مشارکتی ساده را  مقایسه  کرده  و سپس دو  سناریو متفاوت  برای  شبکه مورد نظر تعریف با توجه به استانداردهای وزارت نیرو تغییرات مجاز فرکانس 3/0 در نظر گرفته‌شده است.

مقایسه روش‌های کنترل مشارکتی ساده و ترکیبی

سیستم ذخیره انرژی باتری در روش‌های کنترلی پیشین تا قبل از جزیره‌ای شدن با کنترل PQ و پس از جزیره‌ای شدن با v/f کنترل می‌شد اما در این مقاله روش جدیدی برای کنترل باتری ارایه می‌شود که عملکرد بهتری نسبت به روش قبلی خواهد داشت. در این روش باتری همواره با v/f کنترل می‌شود اما به‌محض جزیره‌ای شدن کنترل PQ نیز به باتری اعمال می‌گردد. شبیه‌سازی در هر دو حالت انجام‌شده است. شکل 3 انحراف فرکانس در هر دو حالت را نشان می‌دهد. در حالت اول کنترل مشارکتی ساده فرکانس به حدود 1/49 هرتز می رسد اما در حالت استفاده از کنترل مشارکتی ترکیبی، فرکانس تنها 52/49 هرتز کاهش یافته است. اختلاف انحراف فرکانس در دو حالت  تقریباً 4/0 هرتز بوده است. در نتیجه در حالت اول، کنترل مشارکتی ساده انحراف فرکانس به مقدار بیش تری نسبت به حالت دوم، کنترل مشارکتی ترکیبی کاهش‌یافته است. درنتیجه روش مشارکتی ترکیبی نتایج بهبودیافته‌ای خواهد داشت. حال برای بررسی این روش دو سناریو تعریف کرده و تحلیل می‌گردند.

 

 

 

شکل 3- انحراف فرکانس در حالت‌های 1 و2 

Fig 3- Frequency deviation in cases 1 and 2


 

سناریو اول: ریز شبکه جزیره شده با تغییرات بار

در این سناریو ریز شبکه در لحظه 1 ثانیه از شبکه اصلی جداشده و جزیره­ای می­شود. تا لحظه جزیره­ای شدن توان مبادله شده BESS با شبکه صفر است. همان‌طور که در شکل‌های 4 و 5 نشان داده‌شده است با جزیره­ای شدن فرکانس 50 تا 57/49 هرتز افت می­کند در این لحظه BESS وارد عمل شده و با تزریق توان، نوسانات فرکانس را میرا می­کند و سپس کنترل ثانویه، توان خروجی BESS را به صفر برمی­گرداند که این کار از طریق تغییر نقاط تنظیم دیزل ژنراتورها و افزایش توان خروجی آن­ها انجام می­شود درنتیجه فرکانس به 50 هرتز برمی­گردد. در ادامه در لحظه 5/1ثانیه مقدار Load از 1(kW) به 4(Kw) افزایش می­یابد بنابراین فرکانس از 50 تا 62/42 هرتز کاهش پیدا می­کند. در این لحظه BESS وارد عمل شده و با تزریق توان، نوسانات فرکانس را میرا می­کند و سپس کنترل ثانویه، توان خروجی

BESS را به صفر برمی­گرداند که این کار از طریق تغییر نقاط

تنظیم دیزل ژنراتورها و افزایش توان خروجی آن­ها انجام می­شود درنتیجه فرکانس به 50 هرتز برمی­گردد. در ادامه در لحظه 2 ثانیه مقدار Load PV از 6+j3(k) به 2+j3(k) کاهش می­یابد بنابراین فرکانس از 50 تا 1/50 هرتز افزایش پیدا می­کند. در این لحظه BESS وارد عمل شده و با جذب توان، نوسانات فرکانس را میرا می­کند و سپس کنترل ثانویه، توان خروجی BESS را به صفر برمی­گرداند که این کار از طریق تغییر نقاط تنظیم دیزل ژنراتورها و افزایش توان خروجی آن­ها انجام می­شود درنتیجه فرکانس به 50 هرتز برمی­گردد. همچنین همان‌طور که در شکل 6  نشان داده شده است، ولتاژ در زمان‌های 1 و 5/1 و 2 ثانیه دچار افت شده و با استراتژی کنترلی به‌کاربرده شده حدوداً به محدوده‌ی عملکرد نرمال خود بازمی‌گردد. درنتیجه با این روش کنترل فرکانس مشارکتی شبکه پایدار باقی‌مانده است.

 

 

شکل 4- انحراف فرکانس سناریو اول

Fig 4- Frequency deviation in first scenario

 

 

شکل 5-توان خروجی سیستم ذخیره انرژی باتری سناریو اول

Fig 5- The power output of the battery energy storage system in first scenario

 

 

شکل 6- انحراف ولتاژ سناریو اول

Fig 6-Voltage deviation in first scenario


سناریو دوم: شبکه جزیره شده با برون‌رفت سلول خورشیدی و تغییرات بار

در این سناریو ریز شبکه در لحظه 1 ثانیه از شبکه اصلی جداشده و وارد حالت عملکرد جزیره­ای می­شود. تا لحظه جزیره­ای شدن توان مبادله شده BESS با شبکه صفر است. همان‌طور که در شکل‌های 7 و 8 نشان داده‌شده است با جزیره­ای شدن فرکانس 50 تا 56/49 هرتز افت می­کند در این لحظه BESS وارد عمل شده و با تزریق توان، نوسانات فرکانس را میرا می­کند و سپس کنترل ثانویه، توان خروجی BESS را به صفر برمی­گرداند که این کار از طریق تغییر نقاط تنظیم دیزل ژنراتورها و افزایش توان خروجی آن­ها انجام می­شود درنتیجه فرکانس به 50 هرتز برمی­گردد. در ادامه در لحظه 5/1 ثانیه سلول خورشیدی از مدار خارج می­شود بنابراین فرکانس از 50 تا 39/49 هرتز کاهش پیدا می­کند. در این لحظه BESS وارد عمل شده و با تزریق توان، نوسانات فرکانس را میرا می­کند و سپس کنترل ثانویه، توان خروجی BESS را به صفر برمی­گرداند که این کار از طریق تغییر نقاط تنظیم دیزل ژنراتورها و افزایش توان خروجی آن­ها انجام می­شود درنتیجه فرکانس به 50 هرتز برمی­گردد. در ادامه در لحظه 5/1 ثانیه مقدار Load از 1(kW) به 4(Kw) افزایش می­یابد بنابراین فرکانس از 50 تا 7/49 هرتز کاهش پیدا می­کند. در این لحظه BESS وارد عمل شده و با تزریق توان، نوسانات فرکانس را میرا می­کند و سپس کنترل ثانویه، توان خروجی BESS را به صفر برمی گرداند که این کار از طریق تغییر نقاط تنظیم دیزل ژنراتورها و افزایش توان خروجی آن­ها انجام می­شود درنتیجه فرکانس به 50 هرتز برمی­گردد. در ادامه در لحظه 2 ثانیه مقدار Load PV از 6+j3(k) به 2+j3(k) کاهش می­یابد بنابراین فرکانس از 50 تا 39/50 هرتز افزایش پیدا می­کند. در این لحظه BESS وارد عمل شده و با جذب توان، نوسانات فرکانس را میرا می­کند و سپس کنترل ثانویه، توان خروجی BESS را به صفر برمی­گرداند که این کار از طریق تغییر نقاط تنظیم دیزل ژنراتورها و افزایش توان خروجی آن­ها انجام می­شود درنتیجه فرکانس به 50 هرتز برمی­گردد. همچنین همان‌طور که در شکل 9 نشان داده شده است، ولتاژ در زمان‌های 1، 5/1، 2 و 5/2 ثانیه دچار افت شده و با استراتژی کنترلی به‌کاربرده شده حدوداً به محدوده‌ی عملکرد نرمال خود بازمی‌گردد.

 

 

 

شکل 7- انحراف فرکانس سناریو دوم

Fig 7- Frequency deviation in second scenario

 

شکل 8- توان سیستم ذخیره انرژی باتری سناریو دوم

Fig 8- The power output of the battery energy storage systemin second scenario

 

 

شکل 9- انحراف ولتاژ سناریو دوم

Fig 9- Voltage deviation in second scenario

 

 

 تحلیل و بحث نتایج

در حالتی که کنترل مشارکتی ساده است انحراف فرکانس به مقدار کم تری نسبت به حالت دوم کاهش‌یافته است. درنتیجه روش مشارکتی ترکیبی نتایج بهبودیافته‌ای خواهد داشت. درنتیجه با استفاده از این روش دو سناریو ممکن الوقوع تعریف شد البته می‌توان سناریوهای ممکن الوقوع و توجیه‌پذیر دیگری نظیر سناریو شامل خروج دیزل ژنراتور از ریز شبکه به دلایل مختلف را نیز تعریف کرد. در سناریو اول ریز شبکه به حالت جزیره‌ای می‌رود. تا لحظه جزیره­ای شدن توان مبادله شده BESS با شبکه صفر است. با جزیره­ای شدن فرکانس افت می­کند در این لحظه BESS وارد عمل شده و با تزریق توان، نوسانات  فرکانس را میرا  می­کند  و سپس  کنترل  ثانویه، توان

خروجی BESS را به صفر برمی­گرداند که این کار از طریق تغییر نقاط تنظیم دیزل ژنراتورها و افزایش توان خروجی آن­ها انجام می­شود درنتیجه فرکانس به 50 هرتز برمی­گردد. در ادامه مقدار بار افزایش می‌یابد بنابراین فرکانس کاهش می‌یابد زیرا ولتاژ باید ثابت نگه‌داشته شود درنتیجه افزایش توانی که باید ریز شبکه تولید کند تا مقدار تغییرات بار را پاسخ گو باشد، فرکانس کاهش می‌یابد؛ و مانند قبل BESS با تزریق توان نوسانات فرکانس را میرا می‌کند و سپس با کاهش بار نزدیک به پانل خورشیدی فرکانس؛ به دلیل جذب توان در ریز شبکه، افزایش می‌یابد و در این حالت نیز BESS با جذب توان نوسانات فرکانس را میرا می‌کند. در سناریو دوم، بعد از جزیره‌ای شدن ریز شبکه، پانل خورشیدی از ریز شبکه جدا می‌شود در این حالت فرکانس کاهش می‌یابد. در این لحظه BESS وارد عمل شده و با تزریق توان، نوسانات فرکانس را میرا می­کند و سپس کنترل ثانویه، توان خروجی BESS را به صفر برمی­گرداند که این کار از طریق تغییر نقاط تنظیم دیزل ژنراتورها و افزایش توان خروجی آن­ها انجام می­شود درنتیجه فرکانس به 50 هرتز برمی­گردد. در ادامه همانند سناریو اول تغییرات بار مشاهده می‌شود که استراتژی کنترلی پیشنهادی به‌خوبی پاسخ گو پایداری سیستم بوده است. به‌طورکلی در این دو سناریو با استراتژی کنترلی به‌کاربرده شده ولتاژ در حدود نامی خودکار می‌کند و پایداری شبکه حفظ می‌گردد. شایان‌ذکر است برای اعمال تغییرات بارها به این صورت عمل شده است که بارهای اضافی به‌صورت مثبت و منفی با بریکر در کنار مقادیر بارهای پایه قرارگرفته‌اند و در زمان مشخص برای هر سناریو اضافه یا کم می‌شود. درنتیجه با توجه به توضیحات قبل با این سناریوهای ممکن الوقوع، می‌توان انتظار داشت که استراتژی کنترلی پیشنهادی می‌تواند پایداری مناسبی برای شبکه به ثمر آورد.

 

نتیجه‌گیری

روش کنترل فرکانس مشارکتی جدید با نام کنترل فرکانس ترکیبی سیستم ذخیره انرژی باتری و دیزل ژنراتور ارایه داده شد. در حالتی که کنترل مشارکتی ساده است انحراف فرکانس به مقدار کم تری نسبت به حالت دوم کاهش‌یافته است که اختلاف انحراف فرکانس در دو حالت 4/0 هرتز بوده است درنتیجه روش مشارکتی ترکیبی نتایج بهبود یافته‌ای خواهد داشت. این کنترل مشارکتی روش کار آیی را در طول عملکرد جزیره‌ای برای کنترل نوسانات فرکانس و بازگرداندن توان BESS به کمینه ارایه می‌دهد. در هر دو سناریو با تغییرات بار و برون‌رفت سلول خورشیدی با روش کنترلی شبیه‌سازی‌شده ترکیبی پیشنهادی،مشاهده شد که نوسانات فرکانس در حد یک‌دهم ثانیه و نوسانات ولتاژ در حد یک ثانیه با روند یکسانی میرا می‌شوند و در همین زمان باتری پس از اعمال توان به مقدار کمینه بازمی‌گردد و انحرافات ولتاژ را در محدوده‌ی نرمال خود نگاه می‌دارد.در مقایسه با کارهای پیشین در نوع کنترل مشابه از نقطه نظر  زمانی برای رسیدن به پایداری 10 تا 20 درصد با توجه به شرایط مساله و سناریو بهبود مشاهده می شود. همچنین نیاز به منابع ذخیره ساز کمتری برای تثبیت فرکانس است. برای بهبود این روش می‌توان با تنظیم ضرایب کنترلی روند میرایی فرکانس و ولتاژ را بهبود بخشید که برای آن استفاده از الگوریتم‌های هوشمند همانند منطق فازی به‌عنوان کار آینده پیشنهاد می‌گردد.

 

منابع

  1. Sao, C., Lehn, P., April 2005.Control and power management of converter fed microgrid. IEEE Transactions on Power Syst., vol. 20, no. 2, pp. 1009–1016.
  2. Nikkhajoei, H., Iravani, R., 2007.Steady-state model and power flow analysis of electronically-coupled distributed resource units.IEEE Trans. on Power Del., vol. 22, no. 1, pp. 721–728.
  3. Chen, Ch., Wang, Y., Lai, et al, 2010.Design of parallel inverters for smooth mode transfer microgrid applications. IEEE Trans. on Power Electron., vol. 25, no. 1, pp. 6–16, 2010.
  4. Katiraei, F., Iravani, R., Hatziargyriou, N., Dimeas, A., 2008.Microgrids management. Power and Energy Magazine, IEEE, vol. 6, no. 3, pp. 54 –65.
  5. Amorim, A.,Cardoso, L., Oyarzabal, J., et al, 2005.Analysis of the connection of a micro turbine to a low voltage grid, Int. Conf. Future Power System ,pp.16–18.
  6. Saha, A., Chowdhury, C., Chowdhury, S., et al, 2009.Modeling and performance analysis of a micro turbine as a distributed energy resource, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 24, no. 2, pp. 529–538.
  7. Zbiniew, L., Janusz, W., 2007.Supervisory control of a wind farm, IEEE Trans. Power Syst., vol. 22, no. 3, pp. 985–994.
  8. Teleke, S., Baran, M., Huang, A., Bhattacharya, S., et al, 2009.Control strategies for battery energy storage for wind farm dispatching, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 24, no. 3, pp. 725–73.
  9. Abbey. C., Joos, G., 2007.Supercapacitor energy storage for wind energy applications, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 43, no. 3, pp. 769–776.
  10. Pascal, M., Rachid, C., et al, 2009.Optimizing a battery energy storage system for frequency control application in an isolated power system, IEEE Trans. Power Syst., vol. 24, no. 3, pp. 1469–1477.
  11. Tripathy, S., Kalantar, M., et al, 1991.Dynamic and stability of wind and diesel turbine generators with superconductingmagnetic energy storage unit on an isolated power system, IEEE Trans. Energy Convers, vol. 6, no. 4, pp. 579–585.
  12. Kim, A., Seo, H., et al, 2010.Operating characteristic analysis of HTS SMES for frequency stabilization of dispersed power generation system, IEEE Trans. Appl. Superconductivity, vol. 20, no. 3, pp. 1334–1338.
  13. Thounthong, P., Rael, S., 2009.Analysis of supercapacitor as second source based on fuel cell power generation, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 24, no. 1, pp. 247–255.
  14. Yunwei, L., Mahinda, D., Poh, V., et al, 2004.Design, analysis, and real-time testing of a controller for multibus microgrid system, IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 5, pp. 1195–1204.
  15. Li, W., Kao, C., 2009.An accurate power control strategy for power electronics-interfaced distributed generation units operating in a low voltage multi bus micro grid, IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 12, pp. 2977–2988.
  16. Tanabe, T., Suzuki, S., Ueda, et al, 2009.Control performance verification of power system stabilizer with an EDLC in islanded micro grid, IEEE Trans. Power and Energy, vol. 129, no. 1, pp. 139–147.
  17. Lopes, J., Moreira, C., et al, 2006.Defining control strategies for micro grids islanded operation,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 21, no. 2, pp. 916–924.
  18. Thounthong, P., Rael, P., Davat, B., March 2009. Analysis of super capacitor as second source based on fuel cell power generation. IEEE Trans. Energy Convers. vol. 24, no. 1, pp. 247–255.
  19. Xu, Y., Zhang, W., Hug, et al, 2015.Cooperative control of distributed energy storage systems in a microgrid,
  20. IEEE Trans. Smart Grid., vol. 6, no. 1, pp. 238–248.
  21. Lopes, J., Moreira, C., Madureira, A., May 2006.Defining control strategies for microgrids islanded operation. IEEE Trans. Power Syst., vol. 21, no. 2, pp. 916–924.
  22. Teleke, S., Baran, M., Huang, A., Bhattacharya, S., Anderson, L., Septemner 2009.Control strategies for battery energy storage for wind farm dispatching. IEEE Trans. Energy Convers. vol. 24, no. 3, pp. 725–732.
  23. Tiamtan, Y., 2004. Impact on the power system with a large penetration of photovoltaic generation, PhD Thesis, University of Manchester institute of science and technology.

 



[1] -کارشناسی ارشد مهندسی برق قدرت، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران.

[2] -استادیار، عضو هیات‌علمی دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران (مسوول مکاتبات).

[3] -دانشیار، عضو هیات‌علمی دانشکده برق و کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران، ایران.

[4]- M.Sc. Student of electrical engineering department, Science and Research Branch Islamic Azad University Tehran Iran.

[5]-Assistant Professor academic member of electrical engineering department, Science and Research Branch Islamic Azad University Tehran Iran. *(Corresponding Author)

[6]- Associate professor academic member of electrical engineering department, Science and Research Branch Islamic Azad University Tehran Iran.

 [7]- Resource energy storage

 [8]- Cogeneration or combined heat and power

 [9]- Energy storage system

 [10]- Superconducting magnetic energy storage

[11] -Static Transfer Switch  

  1. Sao, C., Lehn, P., April 2005.Control and power management of converter fed microgrid. IEEE Transactions on Power Syst., vol. 20, no. 2, pp. 1009–1016.
  2. Nikkhajoei, H., Iravani, R., 2007.Steady-state model and power flow analysis of electronically-coupled distributed resource units.IEEE Trans. on Power Del., vol. 22, no. 1, pp. 721–728.
  3. Chen, Ch., Wang, Y., Lai, et al, 2010.Design of parallel inverters for smooth mode transfer microgrid applications. IEEE Trans. on Power Electron., vol. 25, no. 1, pp. 6–16, 2010.
  4. Katiraei, F., Iravani, R., Hatziargyriou, N., Dimeas, A., 2008.Microgrids management. Power and Energy Magazine, IEEE, vol. 6, no. 3, pp. 54 –65.
  5. Amorim, A.,Cardoso, L., Oyarzabal, J., et al, 2005.Analysis of the connection of a micro turbine to a low voltage grid, Int. Conf. Future Power System ,pp.16–18.
  6. Saha, A., Chowdhury, C., Chowdhury, S., et al, 2009.Modeling and performance analysis of a micro turbine as a distributed energy resource, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 24, no. 2, pp. 529–538.
  7. Zbiniew, L., Janusz, W., 2007.Supervisory control of a wind farm, IEEE Trans. Power Syst., vol. 22, no. 3, pp. 985–994.
  8. Teleke, S., Baran, M., Huang, A., Bhattacharya, S., et al, 2009.Control strategies for battery energy storage for wind farm dispatching, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 24, no. 3, pp. 725–73.
  9. Abbey. C., Joos, G., 2007.Supercapacitor energy storage for wind energy applications, IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 43, no. 3, pp. 769–776.
  10. Pascal, M., Rachid, C., et al, 2009.Optimizing a battery energy storage system for frequency control application in an isolated power system, IEEE Trans. Power Syst., vol. 24, no. 3, pp. 1469–1477.
  11. Tripathy, S., Kalantar, M., et al, 1991.Dynamic and stability of wind and diesel turbine generators with superconductingmagnetic energy storage unit on an isolated power system, IEEE Trans. Energy Convers, vol. 6, no. 4, pp. 579–585.
  12. Kim, A., Seo, H., et al, 2010.Operating characteristic analysis of HTS SMES for frequency stabilization of dispersed power generation system, IEEE Trans. Appl. Superconductivity, vol. 20, no. 3, pp. 1334–1338.
  13. Thounthong, P., Rael, S., 2009.Analysis of supercapacitor as second source based on fuel cell power generation, IEEE Trans. Energy Convers., vol. 24, no. 1, pp. 247–255.
  14. Yunwei, L., Mahinda, D., Poh, V., et al, 2004.Design, analysis, and real-time testing of a controller for multibus microgrid system, IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, no. 5, pp. 1195–1204.
  15. Li, W., Kao, C., 2009.An accurate power control strategy for power electronics-interfaced distributed generation units operating in a low voltage multi bus micro grid, IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 12, pp. 2977–2988.
  16. Tanabe, T., Suzuki, S., Ueda, et al, 2009.Control performance verification of power system stabilizer with an EDLC in islanded micro grid, IEEE Trans. Power and Energy, vol. 129, no. 1, pp. 139–147.
  17. Lopes, J., Moreira, C., et al, 2006.Defining control strategies for micro grids islanded operation,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 21, no. 2, pp. 916–924.
  18. Thounthong, P., Rael, P., Davat, B., March 2009. Analysis of super capacitor as second source based on fuel cell power generation. IEEE Trans. Energy Convers. vol. 24, no. 1, pp. 247–255.
  19. Xu, Y., Zhang, W., Hug, et al, 2015.Cooperative control of distributed energy storage systems in a microgrid,
  20. IEEE Trans. Smart Grid., vol. 6, no. 1, pp. 238–248.
  21. Lopes, J., Moreira, C., Madureira, A., May 2006.Defining control strategies for microgrids islanded operation. IEEE Trans. Power Syst., vol. 21, no. 2, pp. 916–924.
Teleke, S., Baran, M., Huang, A., Bhattacharya, S., Anderson, L., Septemner 2009.Control strategies for battery energy storage for wind farm