پژوهشی در سوئیچ حالت میکروشبکه و کنترل بر اساس الگوریتم بهبود یافته فرکانسی
Research on Microgrid Mode Switch and Control Based on Improved Frequency Algorithm
چکیده:
به منظور حل مشکل سوئیچینگ در حالت‌های اتصال به شبکه و جدا از شبکه (جزیره)، این مقاله معماری میکروشبکه و مشکلات سوئیچینگ در حالت اتصال به شبکه را با معرفی الگوریتم بهبود فرکانس تجزیه و تحلیل می کند. خطای فرکانسی این الگوریتم 0.02 هرتز و زمان پاسخ آن 60 میلی ثانیه می باشد، بنابراین از روش اندازه گیری فرکانسی قدیمی، که فرکانس خطای آن 1 هرتز و زمان پاسخ آن 40 میلی ثانیه است، بهتر می باشد. این مقاله دستگاه سوئیچ حالت میکروشبکه را مورد تحقیق قرار داده و توسعه می دهد. این طراحی به طور موثر مشکل بد بودن دقت اندازه گیری فرکانسی و طولانی بودن زمان سوئیچینگ کنترل حالت که اکنون 120 میلی ثانیه است، را حل می کند، و یک سوئیچینگ اتصال به شبکه و انفصال از شبکه بی نقص ارائه می دهد، و این نقش گسترده ای در برنامه‌های مهندسی آینده خواهد داشت.
1. مقدمه
میکروشبکه یک سیستم تولید برق کوچک است، که متشکل از تولید پراکنده (DG)، بار، ذخیره انرژی، تجهیزات کنترل است. میکروشبکه به طور معمول توسط نقطه اتصال مشترک (PCC) به شبکه متمرکز سنتی وصل می شود که دو حالد عملکردی دارد: متصل به شبکه و جدا از شبکه (جزیره‌ای). هنگامی که میکروشبکه تحت حالت عملکردی جزیره ای است، برای میکروشبکه پاسخ سریع به تغییر بار و تعادل پویای عرضه و تقاضا سخت است. هنگامی که میکروشبکه تحت حالت عملکردی متصل به شبکه قرار دارد، وقتی که میکروشبکه نمی تواند تقاضای بار را برآورده کند شبکه متمرکز سنتی توان مکملی فراهم می کند؛ و در عوض زمانی که میکروشبکه توان مازاد دارد می تواند به شبکه متمرکز سنتی توان ارائه دهد. اما چگونه باید به سوئیچ بین میکروشبکه و شبکه متمرکز سنتی تحقق بخشید، کلید این مشکل دستگاه نقطه اتصال مشترک است. دستگاه باید تابعی دقیق از اندازه گیری فرکانس و ولتاژ، جزیره‌سازی و تشخیص هارمونیک و همینطور تشخیص همخوانی دوره‌های اتصال به شبکه را دارا باشد. در حال حاضر، این وسیله مستقر در PCC به وسیله RS485 با PCS ارتباط برقرار کرده و سپس پیامی به پشت صحنه ارسال می کند، پیام در پشت صحنه تجزیه و تحلیل شده و پس از آن به PCS ارسال می شود. وقتی که PCS پیام را دریافت کرد یک سوئیچ حالت را انجام خواهد داد، که این پروسه مدت زمان طولانی داشته و سخت تقاضای سوئیچ سریع بین حالت‌های عملکردی متصل به شبکه و جزیره‌ای را برآورده می کند. علاوه بر این دستگاه مستقر در PCC دقت اندازه گیری فرکانس ضعیفی دارد. در این مقاله، یک روش اندازه گیری فرکانس جدید اتخاذ شده که دقت بهتری دارد و یک روش سوئیچ حالت جدید طراحی شده که می تواند زمان سوئیچ کاهش دهد.
2. ساختار سوئیچینگ حالت میکروشبکه
ساختار سوئیچ حالت میکروشبکه در شکل 1 نشان داده شده است. در سیستم میکروشبکه، سیستم برنامه ریزی شبکه توزیع دیسپاچینگ را هماهنگ می کند، و واحد پشت‌صحنه تولید توان DG و تقاضای بار را پیشبینی می کند و پس از آن طرح عملیات را فرموله‌سازی می کند. و تنظیم زمان واقعی طرح عملیات با توجه به جمع آوری اطلاعاتی مانند جریان، ولتاژ و توان، DG را کنترل می کند، دستگاه ذخیره سازی انرژی و بار را استاپ و استارت می کند، و ثبات ولتاژ و فرکانس شبکه برق را تضمین می کند. زمان سوئیچ در حالت متصل به شبکه و جزیره‌ای در واقع کلید "بی نقصی" است، اما همانطور که این مقاله در مقدمه اشاره کرده که دستگاه سوئیچ حالت در حال حاضر نمی تواند سوئیچ سریع ارائه دهد، این مقاله طرحی ارائه داده که هنگامی که دستگاه سوئیچ حالت، سیگنالی (مانند ولتاژ، فرکانس و یا هارمونیک) مبنی بر اینکه تقاضای شبکه برآورده نمی شود دریافت می کند، به PCS دستور می دهد و سپس PCS آماده سوئیچ به عالت عملکردی جزیره‌ای می شود، و هنگامی که PCS سوئیچ را تمام کرد، PCS سیگنال "موفقیت آمیز" را به واحد پشت صحنه همه ارسال می کند. تمام این روند می تواند زمان سوئیچ را کوتاه کند.
شکل1: ساختار سوئیچینگ حالت میکروشبکه
2.1. تکنولوژی سوئیچ بین حالات عملکردی متصل به شبکه و جزیره‌ای
1) سوئیچ از حالت عملکردی متصل به شبکه به حالت جزیره‌ای
هنگامی که میکروشبکه تحت حالت عملکردی متصل به شبکه است، کمبود توان بار میکروشبکه توسط شبکه متمرکز سنتی فراهم می شود و یا با جذب توان اضافه از DG به تعادل می رسد. هدف کنترل در حال حاضر این است که کل سیستم را به حداکثر بهره وری مصرف انرژی برسانیم. در واقع یعنی حداکثر استفاده از توان DG تحت شرایط برآورده سازی محدودیت‌های عملکردی، از طریق کنترل موثر خروجی میکروشبکه، بهره‌وری کلی میکروشبکه را تضمین می کند، و تلفات سیستم توزیع را کاهش می دهد.
زمانی که دستگاه سوئیچ حالت میکروشبکه دستورات و یا سیگنالی مبنی بر توزیع غیر طبیعی شبکه را شناسایی کند، دستور"آماده‌سازی حالت عمکردی جزیره‌ای" را به PCS ارسال می کند. تحت شرایط شروع تریپ بریکر، وقتی که بریکر در حالت بسته است، PCS پالس خروجی را آماده می کند؛ زمانی که بریکر تریپ کرده و تریپر در حالت باز است، دستگاه سوئیچ حالت میکروشبکه سیگنال " حالت عملمردی جزیره‌ای" را به PCS ار سال می کند. حال PCS از حالت منبع P/Q تبدیل به یک منبع V/F می شود. منطق ارتباط بین دستگاه سوئیچ حالت میکروشبکه و PCS در شکل 2 نشان داده شده است.
شکل2: منطق ارتباط بین دستگاه سوئیچ حالت میکروشبکه و PCS
در روند سوئیچ از حالت عملکردی متصل به شبکه به حالت عملکرد جزیره‌ای، DG به دلیل تابع حفاظت جزیره‌سازی DG، اجرا می شود. هنگامی که کنترل توان اصلی "عملیات جزیره‌سازی" را شروع می کند و توان را به بارهای بحرانی بازیابی می کند، DG به طور خودکار در سیستم گنجانیده می شود. به منظور جلوگیری از شروع همه DGها در زمان یکسان به علت آسیب قابل توجهی که به سیستم عملکردی جزیره ای وارد می کند، شروع DGها باید متناوب و توسط سیستم مدیریت انرژی کنترل شود، تا به تدریج تا بدست آمدن حداکثر خروجی پس از راه اندازی DGها افزایش یابد.
تولید و مصرف توان در طول مدت عملکرد جزیره‌ای به یک تعادل جدید می رسد، که نشان می دهد میکروشبکه به سرعت از حالت متصل به شبکه تبدیل به حالت جزیره‌ای شده است. هنگامی که میکروشبکه تحت حالت عملکردی جزیره‌ای است، مرکز کنترل وظیفه تعادل انرژی و ثبات ولتاژ و فرکانس ، بهبود کیفیت منبع تغذیه، و حداکثر استفاده از DG برای تولید برق را دارد. همانطور که در شکل 3 نمودار جریان سوئیچینگ از حالت عملکردی متصل به شبکه به حالت جزیره‌ای را نشان می دهد.
2) سوئیچ از حالت جزیره‌ای به حالت متصل به شبکه
هنگامی اتفاق می افتد که دستگاه سوئیچ حالت تشخیص دهد که بریکر در هر دو طرف بدون ولتاژ است یا شرایط خاصی برآورده شده که مقدار ثابت بی‌ولتاژی 0.3 برابر ولتاژ خط است، و مقدار ولتاژ ثابت 0.7 برابر ولتاژ نامی خط است. علاوه بر این تفاوت زاویه ولتاژ در هر دو طرف باید کمتر از مقدار ثابت زاویه مدت مشابه باشد و یا دستگاه سوئیچ حالت یک سیگنال مبنی بر بسته شدن دستی را شناسایی کند. در این صورت دستگاه سیگنال "آماده‌ی متصل شدن به شبکه" را به PCS ارسال می کند، سپس PCS پالس خروجی آماده می کند، تا برای آینده آماده باشد. زمانی که دستگاه یک سیگنال غیرمنطقی مبنی بر وجود حالت متصل به شبکه در طول جزیره‌سازی دریافت کند، در عین حال بریکر در حالت باز باشد، سیگنال "متصل به شبکه" را به PCS ارسال می کند، و PCS از حالت منبع V/F تبدیل به یک حالت منبع P/Q می شود. منطق ارتباط بین دستگاه سوئیچ حالت میکروشبکه و PCS در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل3: فلوچارت سوئیچینگ حالت عملکردی متص به شبکه به حالت جزیره ای
شکل4: دیاگرام منطقی فرایند متصل به شبکه
هنگامی که میکروشبکه تحت حالت عملکردی متصل به شبکه است، مرکز کنترل به تدریج بارهای حذف شده را و توزیع قدرت را بهبود می دهد، و به صورت زیر ، سوئیچ از حالت جزیره‌ای به حالت عملکردی متصل به شبکه را کامل می کند.
شکل5: دیاگرام منطقی حالت متصل به شبکه
شکل6: فلوچارت کنترلی سوئیچ از جزیره‌ای به کتصل به شبکه
3. الگوریتم بهبود یافته فرکانسی
فرض کنید سیگنال ولتاژ به صورت زیر باشد:
که f فرکانس نامعلوم است، فرکانس نمونه برداری 50 هرتز است، و فاصله‌های نمونه گیری تنظیم نشده است.
1) یک فیلتر دیجیتالی میانگذر 40 مرتبه ای طراحی می کنیم، و فرکانس نمونه برداری 1200 هرتز است و داریم:
2) سیگنال X از فیلتر دیجیتالی میان گذر عبور می کند
3) قسمت حقیقی و موهومی سری فوریه سیگنال تمام موج را محاسبه می کنیم:
4) از آنجا که تابع فیلتر دیجیتال میانگذر cos(2iπ/N)
زوج متقارن است، و sin(2iπ/N)
فرد متقارن است، لذا:
F(ω)
گِین در تابع تعریف شده ω است:
|
سپس 4 و 5 را با تابع بالا اضافه می کنیم و داریم:
فرض کنید سیگنال به صورت زیر باشد:
که در آن فرکانس 48 هرتز، A=100، An =100 ، fn =175Hz است.
درنتیجه در شکل زیر خطوط قرمز نشان دهنده روش جدید و خطوط آبی روش قدیم است.
با قضاوت نتایج فوق، همانطور که در شکل 4 نشان داده شده، اگر سیگنال حاوی هارمونیک بالای 100 هرتز باشد، خطای اندازه گیری فرکانس می تواند در طیف 0.02 هرتز، و زمان پاسخ 60 میلی ثانیه باشد. البته وقتی که از فیلتر دیجیتال میان گذر عبور کرد؛ و در روش اصلی اندازه گیری فرکانس نیز به طور مشابه آن را از یک فیلتر میان گذر دیجیتال عبور می دهیم، که پاسخ 40 میلی ثانیه می شود، اما خطای محاسبه 1 هرتز است، که دقت مورد نیاز ما نیست.
4. توسعه دستگاه سوئیچ حالت میکروشبکه
در این مقاله یک دستگاه سوئیچ حالت میکروشبکه طراحی کرده، که به طور عمده در سیستم میکروشبکه 400V/10kV AC استفاده می شود. این دستگاه نظارت زمان واقعی نقطه اتصال مشترک (PCC) را کامل می کند، حالت جزیره‌ای را شناسایی می کند و به طور خودکار مدار اولیه را زمانی که سیستم جزیره ای به نظر می رسد قطع می کند (با توجه به استراتژی های از پیش تنظیم شده) و هنگامی که بهبود در شبکه متمرکز حاصل شد و شرایط اتصال به شبکه اتصال برآورده شد، هماهنگ سازی خودکار اتصال به شبکه را انجام می دهد.
این دستگاه همچنین دارای تابع تریپ اضافه‌جریان، آلارم تریپ ریفلاکس، آلارم اضافه بار، و انواع دیگر از توابع هشدار غیر طبیعی نظارتی و کنترلی است. این دستگاه متوجه نظارت وضعیت زمان واقعی می شود، هماهنگ سازی روشن شده و عملیات تریپ بر اساس GOOSE انجام می شود. این دستگاه مقدار آنالوگ را به وسیله شبکه لایه‌ای فرآیند SV در یافت می کند. طراحی دستگاه سوئیچ حالت در شکل 7 نشان داده شده است.
شکل7: طرح طراحی دستگاه
شکل8: دیگرام آزمایشی
به منظور بررسی عملکرد دستگاه سوئیچ حالت میکروشبکه، ما یک سیستم آزمایش طراحی کردیم. در این سیستم، ما شبکه متمرکز سنتی را طراحی کردیم: این سیستم شامل ذخیره سازی انرژی، سیستم تولید برق و بار فتوولتائیک 10KV است. در این روند آزمایش، K1، K2، K3، K4، K5، بسته شده و اینورتر فتوولتائیک و PCS را آغاز می کنند. خروجی اینورتر فتوولتائیک و PCS همه 5KW است، و همه آنها در حالت متصل به شبکه عمل می کنند. سپس 5KW بار امپدانس خالص قرار می دهیم، و K1 را برای شبیه سازی خطا در شبکه متمرکز سنتی، باز می کنیم. شکل موج ولتاژ و جریان و زمان محاسبه شده برای هر دستگاه را مشاهده می کنیم.
وقتی 44ms خاموش می کنیم، 01 توسط دستگاه سوئیچ حالت داده می شود، 36ms بعد، بریکر به صورت باز در می اید، و 30ms بعد، دستگاه سیگنال 11 را می فرستد. وقتی دستگاه بعد از 110ms خاموش شد، در همان زمان، حفاظت اینورتر های فتوولتائیک جزیره‌ای عمل می کنند، 10ms بعد، PCS از حالت عملیاتی متصل به شبکه به حالت جزیره‌ای، با موفقیت، سوئیچ می کند. دنباله اعمال به شرح زیر است:
شکل سمت چپ: وقتی دستگاه 44ms خاموش است، سیگنال "آماده جزیره سازی" توسط شبکه دستگاه سوئیچ حالت میکروشبکه داده شده است.
شکل سمت راست: وقتی دستگاه 80ms خاموش شده، بریکر باز شده.
در این آزمایش، ما همچنین خروجی PV را 5KWطراحی کردیم، خروجی PCS برابر 1KW،و بار 4.8kw شد. در این زمان سوئیچ پرش K1، سیستم از عملیات متصل به شبکه به حالت جزیره ای سوئیچ کرد، در عین حال، ما روند سوئیچ از حالت عملیاتی متصل به شبکه به حالت جزیره‌ای را با خروجی PV برابر با 5KW، خروجی PCS برابر با 5KW، و بار برابر با 10KW طراحی کردیم. شکل موج به صورت زیر نشان داده شده است.
سمت چپ: سوئیچ حالت عملکردی متصل به شبکه به حالت جزیره‌ای با فتوولتائیک: 5KW، pcs : 1KW، بار: 4.8kw.
سمت راست: سوئیچ حالت جزیره‌ای به حالت متصل به شبکه با فتوولتائیک: 5KW، pcs: 5KW، بار: 10KW.
5. نتیجه گیری
این مقاله به تحلیل ساختار سه لایه از سوئیچ حالت میکروشبکه می پردازد، و عملکرد دستگاه سوئیچ حالت در PCC را معرفی می کند و در عین حال، مزیت‌های طراحی منطقی تشخیص جزیره‌سازی مربوط به دستگاه سوئیچ حالت و ارتباط آن با PCS را نیز نشان می دهد. این طراحی به طور موثر مشکل دقت ضعیف اندازه گیری فرکانس و زمان سوئیچینگ بیش از حد طولانی را حل می کند، در حال حاضر شما می توانید سوئیچ را در 120 میلی ثانیه انجام دهید، و به خوبی به سوئیچ "بی نقص" از حالت متصل به شبکه به حالت جزیره‌ای برسید، که نقش گسترده ای در برنامه های کاربردی مهندسی آینده خواهد داشت.
منابع
1. ZHOU Fengquan, MAO Jianrong, MA Hongwei, et al. Investigation for steady control of independent island electrical power supply system including high penetration distributed power supply. Power System Protection and Control, 2013, 41(2):84-90.
2. LIU Mengxuan, GUO Li, WANG Chengshan, et al. A Coordinated Operating Control Strategy for Hybrid Isolated Microgrid Including Wind Power, Photovoltaic System, Diesel Generator, and Battery Storage. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(15): 19-24.
3. GAN Deqiang, HUANG Minxiang, YANG Huan, et al. Proceedings of the 30th Chinese Control Conference, 2011, Yantai, China.
4. YANG Zhi-chun, LE Jian, LIU Kai-pei, XIE Xue-jing. Study on the standard of the grid-connected microgrids[J] Power System Protection and Control. 2010, 3(2):66-72.
5. SU Ling, ZHANG Jian-hua, WANG Li, MIAO Wei-shi, WU Zi-ping. Study on some key problems and technique related to microgrid[J] Power System Protection and Control. 2010, 38(19):235-239.