ترجمه مقاله کنترل ریزشبکه با توانائی تشخیص درونی جزیره‌ای شدن

کنترل یک ریزشبکۀ دارای منابع متعدد با توانائی تشخیص درونی جزیره‌ای شدن و محدودسازی جریان

Control of a Multiple Source Microgrid With Built-in Islanding Detection and Current Limiting

چکیده- روشی برای کنترل یک محیط ریزشبکه‌ای با منابع انرژی پراکنده و رابط مبدل منبع ولتاژ که دارای چند منبع انرژی است، تحلیل شده و به تایید می‌رسد. این روش کنترلی به گونه‌ای طراحی شده است که در هر دو حالت عملکرد متصل به شبکه و جزیره‌ای کار کرده و بین این دو حالت یک گذرای صاف و نرمی را فراهم می‌کند. دیگر ویژگی‌های این روش کنترلی شامل تشخیص جزیره‌ای شدن با پسخور مثبت و محدودسازی دینامیکی اضافه‌جریان نیز بررسی می‌شود. تصدیق این ویژگی‌های بیان شده از طریق نتایج حاصل از یک سیستم نمونه کوچک که دارای نتایجی از شبیه‌سازی حوزه زمان ریزشبکه ولتاژ متوسط است، بدست می‌آید.

 

عبارات کلیدی- خودکار، کنترل،

اینورتر

 جزیره‌ای،

ریزشبکه

مبدل منبع ولتاژ (VSC).

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

 

1. مقدمه

وقتی عمق نفوذ منابع انرژی پراکنده (DER) افزایش می‌یابد تا افزایش تقاضای برق را در عین کاهش اثرات زیست‌محیطی فراهم کند [1]، ریزشبکه‌ها بسیار مرسوم خواهند بود [2]. منابعی که بخشی از ریزشبکه را تشکیل می‌دهند دارای نیازمندی‌های خاصی هستند: هر منبع انرژی پراکنده (DER)، حال اینکه یک منبع تولید پراکنده (DG) باشد یا یک واحد ذخیره پراکنده (DS)، باید قادر باشد تا بدون ایجاد اثرات چشم‌گیر روی ریزشبکه، به این مجموعه افزوده شده و یا از آن خارج شود. همچنین ریزشبکه باید بتواند در هر دو شرایط از پیش برنامه‌ریزی شده و یا اضطراری، بین حالات متصل به شبکه (GC) و جزیره‌ای (IS) گذرای آرام و صافی را تجربه کند [2]-[4].

در بیشتر موارد، یک واحد منبع انرژی پراکنده از طریق یک مبدل منبع ولتاژ (که در این مقاله به طور مختصر آن را مبدل خواهیم گفت) با ریزشبکه میزبان در ارتباط است، تا به این طریق کنترل موثری بتوان روی مبدل واسط اعمال کرده و نیازمندی‌های عملکردی ریزشبکه را فراهم ساخت [5]. این مقاله بیشتر به راهبرد کنترل مبدل معرفی شده در مرجع [6] می‌پردازد؛ یک کنترلر مبتنی بر تغییر فاز و دامنه که دارای ویژگی‌های لازم برای عملکرد در یک محیط ریزشبکه‌ای را دارا می‌باشد (مثل تشخیص جزیره‌ای شدن، حفاظت اضافه‌جریان، و کنترل دروپ). در کل این مقاله از این راهبرد کنترلی تحت عنوان راهبرد کنترل‌شده با ولتاژ (VCS) (راهبرد کنترل ولتاژ) یاد خواهیم کرد. این مقاله به کمک موارد ذیل، مقاصد بیشتری را نسبت به مرجع [6] دنبال می‌کند:

• اثبات کاربرد آن با منابع چندگانه؛
• مقایسه و تست توانمندی آن با منابعی که از دیگر روش‌های کنترلی بهره می‌برند؛
• توصیف یا ویژگی‌بخشی توانمندی‌های محدودسازی اضافه‌جریان؛
• بحث روی رویه‌های تنظیم عمل تشخیص جزیره‌ای شدن؛
• تایید عملکرد به کمک پیاده‌سازی آزمایشگاهی (عملی).

یک روش معمول برای کنترل مبدل مبتنی بر تنظیم مولفه‌های جریان مستقیم و عمود (da) است [7] (یعنی مبدل به صورت یک منبع ولتاژ کنترل‌شده با جریان عمل می‌کند). در این مقاله از این راهبرد تحت عنوان راهبرد کنترل‌جریان (CCS) یاد خواهد شد. لازم و مطلوب نیست که همه واحدهای تولید انرژی پراکنده در ریزشبکه از VCS (راهبرد کنترل ولتاژ) بهره گیرند، لذا پیکربندی‌هایی مورد بررسی قرار می‌گیرند که در آن همه واحدها از VCS برخوردارند؛ واحدهای مبتنی بر VCS چندگانه و CCS چندگانه در کنار هم هستند؛ یا یک تک‌واحد از VCS استفاده کرده و بقیه واحدها از CCS بهره می‌برند. روش CCS وقتی به خوبی کار می‌کند که ریزشبکه در حالت متصل به شبکه باشد، طوری که شبکه اصلی (grid) ولتاژ و فرکانس را در نقطه باس کوپل مشترک (PCC) پشتیبانی می‌ند؛ با این حال، وقتی ریزشبکه از شبکه بهره‌برداری (utility) جدا می‌شود (جزیره‌ای می شود)، مبدل نمی‌تواند ولتاژ و فرکانس را در نقطه PCC حفظ کند [7]. در ریزشبکه‌ای با منابع چندگانه، چنانچه اطمینان حاصل شود منبعی موجود است که از VCS (master) بهره می‌برد، آنگاه این رفتار را می‌توان اصلاح کرد. این حالت را معمولا طرح کنترلی مستر- اسلیو  (master-slave) می‌نامند که در قبلا در مراجع [8]-[10] بحث شده است. این مقاله همین مفهوم را با استفاده از طرح کنترل VCS مرجع [6] مورد بررسی قرار می‌دهد. وقتی واحدVCS موجود باشد، پس از اینکه حالت جزیره‌ای شدن اتفاق افتاد، فرکانس و ولتاژ توسط مبنع مبتنی بر VCS پشتیبانی می شوند، در حالی که واحدهای CCS به تبادل توان حقیقی و راکتیو با ریزشبکه ادامه می‌دهند. نتیجه آن می‌شود که برای منابعی که از CCS استفاده می‌کنند الزامی در تشحیص حالت جزیره‌ای شدن وجود ندارد. این ویژگی وقتی مهم است که واحدهای CCS بدون قصد هماهنگی با دیگر منابع ریزشبکه طراحی شده باشند، مثل مجموعه بزرگی از اینورترهای واسط منابع فوتوولتائیک.

حفاظت اضافه‌جریان با اعمال محدودیت‌های استاتیکی یا دینامیکی به دامنه ولتاژ خروجی دستور داده شده، حاصل می شود. تشخیص جزیره‌ای شدن نیز از طریق بی‌ثباتی اجباری ریزشبکه پس از جزیره شدن قابل حصول است؛ با بهره‌گیری از این واقعیت که منابع به طور برجسته ولتاژ باس PCC را در حالت جزیره شدگی تعیین می‌کنند [11]. این بی‌ثباتی روی ولتاژ ترمینال مبدل تاثیر گذاشته و لذا می‌تواند به طور محلی تشخیص داده شود. تست سخت‌افزار از طریق دو منبع واسط اینورتری انجام می‌شود تا مشخصات کنترلر به تایید برسد. نظارت بیشتر بر عملکرد و رفتار VCS ارائه شده، از طریق شبیه‌سازی حوزه زمان مدل مقیاس‌وسیع با پنج منبع واسط اینورتری صورت می‌گیرد.

 

2. توصیف سیستم

یک ریزشبکه ac سه فاز با n منبع (شکل1)، به همراه پیاده‌سازی سخت‌افزاری که شامل دو واحد (n=2) و سیستم شبیه‌سازی شده که دارای پنج واحد (n=5) است، در نظر گرفته شده است. هر منبع شامل یک مبدل واسط به صورت سری با یک اندوکتور (سلف) است که بیانگر مجموعه‌ یک فیلتر سری، ترانسفورماتور کوپلینگ و خط کوتاه است. یک بار نماینده نیز به صورت یک شاخه RLC موازی در نقطه PCC در نظر گرفته شده است.

 

3. توصیف کنترلر

هر منبع از یکی از دو راهبرد کنترلی فوق‌الذکر بهره می‌برد: VCS یا CCS. در اینجا CCS تنها به صورت مختصر بیان می شود، چون به هر حال یک روش با ساختار مناسب است [5].

 

1. راهبرد کنترل ولتاژ (VCS)

روش کنترل VCS به منظور عملکرد در حالات متصل به شبکه و جزیره‌ای، و نیز گذر بین این دو حالت طراحی شده است. VCS ولتاژ و فرکانس را تثبیت می‌کند، لذا مبدل به عنوان یک منبع ولتاژ کنترل‌شده با ولتاژ عمل می‌کند. در حالت جزیره‌ای، توان عبوری (پخش بار) به صورت پسیو (غیرفعال) با توجه به امپدانس بار تعیین می‌شود.

 

1. کنترل ولتاژ/ توان راکتیو: بلوک دیاگرام کنترلر ولتاژ/ توان راکتیو مبدل در شکل2 نشان داده شده است. ورودی‌های Q و |v| به ترتیب توان راکتیو اندازه‌گیری شده تحویلی به منبع و دامنه ولتاژ PCC هستند. شکل2 نشان دهنده راهبرد کنترل انتگرالی برای دستیابی به رگولاسیون (تنظیم) است، به این ترتیب که سرعت کنترلر توسط پارامتر بهره K_q تعیین می‌شود.  نشان دهنده تغییر در ولتاژ ترمینال جهت تنظیم ،  نیز ولتاژ ترمینال خروجی لازم برای دستیابی به عملکرد مطلوب، و  دامنه ولتاژ ترمینال خروجی دستورداده شده پس از اعمال محدودیت‌ها می‌باشد.  تعیین کننده عملکرد دروپ است. اطلاعات بیشتر در رابطه با اینکه چگونه ثابت‌های دروپ برای تسهیم توان تعیین می شوند را می‌توان در مرجع [12] یافت. این کنترلر بر این فرض طراحی شده است که توان راکتیو عبوری به کمک دامنه ولتاژهای ترمینال‌های مبدل و باس PCC تعیین می‌شود. بازرسی بلوک دیاگرام کنترلر منجر می‌شود به اینکه:

 

در حالت جزیره‌ای لازم است تا کنترل توان راکتیو غیرفعال شده و اجازه داده شود تا توان راکتیو عبوری توسط بار تعیین شود. این کار با تنظیم K_q  = 0 و پس از تشخیص و تایید جزیره‌ای شدن انجام می‌شود [6]. E_s ست پوینت (نقطه تنظیم) ولتاژ، بسته به پارامترهای شبکه تعیین می‌شود تا به سیستم اجازه دهد در حالت جزیره‌ای و وقتی کنترلر توان راکتیو غیرفعال شده باشد، در محدوده‌های مجاز خود عمل کند. اطلاعات بیشتر راجه به کنترل انتگرالی توان راکتیو در ریزشبکه‌ها را می‌توان در [13] و [14] یافت.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

کنترل دروپ ولتاژ: عبارت دروپ در معادله (1)، یعنی D_qQ برای حداقل کردن برهمکنش بین منابع در یک پیکربندی با منابع چندگانه و نیز برای فعالسازی تسهیم توان راکتیو به کار می‌رود [12]. این عبارت اطمینان می‌دهد که طرح کنترلی بتواند التزامات عملکردی را بدون توجه به تعداد منابع موجود در ریزشبکه برآورده کند [2].

2. کنترل فرکانس/ توان حقیقی: بلوک دیاگرام کنترلر فرکانس/ توان حقیقی در شل3 نمایش داده شده است. ω_p، ω_s و ω₀ به ترتیب فرکانس نامی باس PCC، ترمینال مبدل و سیستم هستند. عبارت بهره K_p برای اتظیم سرعت تنظیم توان به کار می رود. D_p نشان دهنده ثابت دروپ توان حقیقی استو عبارت K_i نیز می‌تواند روی سرعت تنظیم کنترلر تاثیر داشته باشد اما معمولا برای تصفیه رفتار گذرای مرتبه دوم کنترلر به کار می‌رود. در نهایت، کنترلر دارای خروجی ω_s است که با انتگرالگیری از آن θ_s بدست می‌آید، و به خوبی محدود می‌شود تا زاویه فاز ولتاژ ترمینال مبدل یعنی θ_vsc را شکل دهد.

 

عملکرد مناسب این کنترلر به سه عامل بستگی دارد:

• توان حقیقی جاری و فرکانس به طور غالب توسط زاویه نسبی ولتاژ ترمینال مبدل e تعیین می‌شوند؛
• در حالت متصل به شبکه، سیستم بهره‌برداری (شبکه اصلی) به طور غالب تعیین کننده فرکانس سیستم ω_p  است؛
• در حالت جزیره‌ای، منبع باید فرکانس سیستم ω_p  را تعیین کند.

 

این کنترلر به صورت نمادین زیر بیان می‌شود:

 

در حالی که در حالت متصل به شبکه، فرض ω_p = ω_ref به کار می‌رود و معادله (2) به صورت زیر کوتاه می‌شود:

 

از آنجا که اگر فرکانس منبع ω_s و فرکانس باس PPC یعنی ω_p متفاوت باشند عبور توان (پخش بار) ثابت نخواهد بود، شرایط تعادل برای حالت متصل به شبکه باید به صورت ω_s = ω_p و P = P_ref بیان شود. با تاکید مجدد بر فرض اولیه که منبع دارای تاثیر قابل ملاحظه‌ای روی فرکانس PCC نیست، می‌توان نتیجه گرفت که فرکانس منبع ω_s  به فرکانس مرجع بازخواهد گشت.

در حالت جزیره‌ای، فرض ω_s = ω_p منجر می‌شود به

 

در این حالت، نقطه نشست (settle point) کنترلر توان حقیقی/ فرکانس برای یک ولتاژ نسبتا ثابت PCC به بار بستگی دارد. سیستم در نهایت به فرکانسی می‌رسد که اختلاف در تقاضای توان حقیقی بار و سیگنال کنترل کنترل توان مرجع دارای اختلاف بسیار ناچیز، اما قابل قبول، باشند، که آن فرکانس نهایی را فرکانس دروپ نامند. مشخصه دروپ توان- فرکانس را می‌توان با تنظیم D_p دستکاری کرد. مشخصه دروپ همچنین پروفیل سهم بار را در یک پیکربندی با منابع چندگانه تعیین می‌کند [2].

3. تشخیص جزیره‌ای شدن: سیستم کنترلی تعیین می‌کند که آیا سیستم بر اساس مقدار ولتاژ PCC یعنی |v| جزیره شده است یا نه. برای مثال، اگر |v| به مدت 0.16 s زیر 0.5 p.u. قرار گیرد، منبع فرض می‌کند که سیستم جزیره شده است و یا به زودی جزیره خواهد شد. با این حال، در سناریوی جزیره شدن از پیش‌برنامه‌ریزی‌شده، تبادل توان حقیقی و راکتیو با شبکه معمولا قبل از فرایند جزیره‌ای شدن برابر صفر قرار داده می‌شود تا گذراها کاهش یافته و سیستم احتمالا از مرزهای عملکردی خود تخطی نکند، مرزهایی که در جدول I بیان شده‌اند [15]؛ لذا منبع شاخصی ندارد که بتواند حالت جزیره‌ای شدن را تشخیص دهد، و در نتیجه لازم است تا یک روش تشخیص جزیره به کار رود.

با افزدون یک شاخه پسخور مثبت به کنترلر توان راکتیو و ولتاژ در شکل2، شاید بتوان عامل بی‌ثباتی که پس از بازشدن بریکر PCC اتفاق می‌افتد را کاهش داد؛ با در نظر گرفتن این واقعیت که منابع به طور غالب تعیین کننده ولتاژ باس PCC در حالت جزیره‌ای هستند، در حالی که شبکه اصلی در حالت متصل به شبکه این وظیفه را به دوش می‌کشد. این روش تشخیص جزیرهمشابه روش شیفت ولتاژ ساندیا (SVS) است با این تفاوت که برای کاهش سطح ولتاژ در خروجی مبدل از پسخور مثبت استفاده شده است تا ولتاژ |v| دچار افت شود به جای اینکه در راهبرد SVS سطوح مرجع جریان کاهش و منجر به کم شدن سطح |v| شود.

تابع G(s) به صورت زیر است:

 

پاسخ فیلتر میانگذر رابطه (5) رنج طیفی‌ای را کاهش می‌دهد که برای آن رِنج، اغتشاش‌ها می‌توانند باعث بی‌ثباتی سیستم شوند. پارامترهای رابطه (5) باید به گونه‌ای تنظیم شوند که سیستم پسخور مثبت هارمونیک‌های موجود در ولتاژ PCC را تحت شرایط عملکرد طبیعی متصل به شبکه تقویت نکند، همچنین با سرعت کافی پاسخ می‌دهد تا التزامات سرعت تشخیص جزیره‌ای شدن ارضا شوند. انتخاب پارامترهای رابطه (5) با افزایش سفت و سختی اتصال شبکه تسهیل می‌شود و به این ترتیب سرعت تشخیص افزایش می‌یابد بدون آنکه اثرات نامطلوبی در حالت اتصال به شبکه رخ دهد. مثالی از انتخاب پارامتر بعدا در بخش VI-D بیان خواهد شد.

با این سیستم تشخیص جزیره‌ای که در واحدهای VCS اختیار می‌شود، منابع مبتنی بر CCS دیگری نیازی نیست تا از وضعیت ریزشبکه آگاه باشند تا بتوانند فرکانس و ولتاژ سیستم را پایدار نگه دارند. پس از اینکه جزیره‌ای شدن رخ داد، می‌توان از لینک‌های مخابراتی پهنای باند کوچک برای تنظیم مرجع توان برای منابع قابل دیسپاچینگ استفاده کرد. همچنین می‌توان قابلیت کنترل دروپ را به واحدهای CCS اضافه کرد تا تسهیم توان آسان شود. این موضوع در این مقاله مدنظر قرار نگرفته است چون فرض شده است واحدهای CCS ناهماهنگ باشند.

4. محدودسازی اضافه‌جریان: مشخص شده است که بیشتر مبدل‌های منبع ولتاژ دارای یک سیستم مستقل محدودسازی جریان خواهند بود تا از آسیب دیدن تجهیز پیشگیری شود، که معمولا در حالت ماندگار در محدوده 1-2 p.u. خواهد بود؛ با این حال، پیک جریان گذرای مجاز برای این سیستم مصون از خطا بستگی به تجهیز و توپولوژی فیلتر دارد [16]. این طرح محدودسازی جریان قصد دارد تا پیک جریان‌های گذرا را از منظر سیستم کنترلی محدود کرده و باعث شود محدودسازی جریان برای همه انواع تجهیزها کنترل شود.

دامنه ولتاژ خروجی دستور e_mag را طبق رابطه (6) می‌توان حول و خوش دامنه ولتاژ PCC یعنی |v| محدود کرد. با محدودسازی اختلاف ولتاژ با PCC، پیک جریان‌های خطا را می‌توان به قیمت کاهش در محدوده کنترلی رگولاتور توان راکتیو، محدود کرد،

 

 

علاوه بر این، با محدودسازی θ_VSC در محدودۀ فاز ولتاژ PCC طبق رابطه (7)، پیک جریان‌های خطا را نیز می‌توان کاهش داد

 

 

با دینامیک کردن این محدودیت‌ها به جای استاتیکی، پیک جریان‌های خطا را می‌توان حتی بیشتر هم کاهش داد. اگر محدودیت‌های δ_lim و V_lim متناسب با معکوس مربع دامنه جریان خروجی مبدل، |i_n| قرار داده شوند، مطابق رابطه (8)، محدودسازی دینامیکی تحقق می‌یابد.

وقتی جریان بیش از مقدار نامی (1.0 p.u.) باشد، این موضوع منجر به تنگنایی حدود می‌شود و وقتی زیر مقدار نامی باشد، باعث آرامش این حدود خواهد شد. نتایجی که کاربرد محدودسازی استاتیکی و دینامیکی را برای یک سناریوی مشخص مقایسه می‌کند، در بخش VI-C بیان می‌شود.

 

 

بیشترین جریان خطا در یک سناریوی داده شده بستگی به زمان خطا در سیکل و زمان تعقیب دقیق θ_pcc و |v| خواهد داشت. با این وجود، بدترین نوع پیک جریان خطا I_max را می‌توان استخراج کرده و بر حسب  δ_lim ، V_lim ، مقاومت خطا (R_fault)، زمان تعقیب T_d و دیگر پارامترهای شبکه بیان کرد. این بدترین سناریوی وقتی رخ می‌دهد که یک پدیده خطا زمانی رخ دهد که مبدل در پیک موج‌شکل دارای جریان نامی خروجی i_n = i_n,rated بوده و e_n نیز نزدیک به پیک کار کند. این سناریو در شکل4 تشریح شده است که در آن با استفاده از پارمترهای جدول V یک کار شبیه‌سازی صورت گرفته است.

در طی تشخیص و دوره زمانی تعقیب با مدت T_d، افزایش بیشترین جریان فرض می‌شود وقتی اتفاق بیفتد که ولتاژ نامی به L_sn اعمال می‌شود (بستگی به توپولوژی مبدل دارد [16]). V_fault به طور غالب توسط جریان خطای ناشی از سمت شبکه تعیین می‌شود. علاوه بر این، e_mag و θ_VSC در حدود خود به اشباع می‌رسند تا سهم حالت ماندگار را بیشینه کنند (یعنی e_mag = V_fault + V_lim و θ_VSC – θ = δ_lim). با این جایگذاری‌ها، I_max­ را می‌توان چنین نوشت:

 

که در آن

 

 

معادله (9) در شکل5 رسم شده است که در آن وابستگی I_max به پارامترهای مختلف نشان داده شده است. دو حالت مهم قابل مشاهده است: مقدار V_lim و T_d دارای یشترین تاثیر روی مقادیر پیک جریان خطا هستند، و امپدانس خطا تعیین کننده میزان تاثیر تنظیمات δ_lim است (یعنی برای امپدانس خطای صفر، اختلاف زاویه فاز ناچیز است). علائم ضربدرمانند شکل5 نشان دهنده مقادیر I_max هستند که برای V_lim = 0 و δ_lim = 0 حاصل می‌شوند. همانطور که قبلا بیان شد، حدود استاتیکی نمی‌توانند عملا روی صفر تنظیم شوند چون با این کار، توانایی سیستن کنترلی جهت کنترل P و Q تحت شرایط عملکرد طبیعی از بین می‌رود، اما در صورت نیاز حدود دینامیکی گرایش به صفر خواهند داشت، یعنی پس از دوره T_d، دامنه جریان به اندازه‌ای بزرگ هست که حدود را با توجه به رابطه (8) در تنگ‌تر کرده و به صفر نزدیک کند.

 

2. راهبرد کنترل جریان (CCS)

CCS به عنوان یک مبنا برای VCS به کار می‌رود. CSS شامل یک حلقه کنترل بیرونی نسبتا کند است تا مرجع جریان محورهای d و q (به ترتیب I_dref و I_qref) را بیابد و نیز شامل یک حلقه کنترل داخلی نسبتا سریع است تا این مرجع جریان را هدایت کند و نیز دارای عبارات دیکوپلینگ (تجزیه) است [7]. در قاب مرجع ثابت ولتاژ PCC، جریان‌های I_d و I_q مستقیما به ترتیب با توان‌های حقیقی و راکتیو عبوری متناسب‌اند. لذا کنترل آنها باعث تنظیم عبور توان‌های حقیقی و راکتیو خواهد شد. شکل‌های 6 و 7 بلوک دیاگرام‌های کنترلرهای توان‌های حقیقی و راکتیو را نشان می‌دهد که CSS را تشکیل می‌دهند.

 

4. ارزیابی عملکرد

استانداردهای UL1741 برای اتصالات شبکه [17] به عنوان معیار ارزیابی عملکرد سیستم‌های شبیه‌سازی شده و نمونه سخت‌افزاری به کار رفته‌اند. این استانداردها همچنین آستانه زمانی را تعیین خواهند که برای قبل از آن عملی انجام می‌گیرد تا خطای رخ داده در سیستم را رفع کند. با اینکه این استانداردها برای اتصالات شبکه تعریف می‌شوند، آنها همچنین به عنوان معیاری برای عملکرد حالت ماندگارو نیز حالت جزیره‌ای به کار می‌روند.

این معیارها در جدول I خلاصه شده‌اند. در ادامه، از انحرافات کم در شرایط عملکرد طبیعی تحت عنوان "انحرافات- نرم" و از انحرافات شدید به "انحرافات- سخت" یاد خواهیم کرد.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

5. پیاده‌سازی سخت‌افزاری و نتایج

 

به عنوان مدرکی بر این ادعا، یک چیدمان آزمایشگاهی شامل دو منبع با اتصال موازی به یک مجموعه بار تکی ساخته شد. پارامترهای این سیستم آزمایشگاهی در جدول V پیوست، آمده است.

عناصر پسیو  مدار به صورت ذیل ساخته شدند: فیلترهای خط، امپدانس PCC- شبکه، و بخش اندوکتیو (سلفی) بار توسط سلف‌های تکفاز محقق شدند. شاخه خازنی به کمک یک مجموعه از سه مجموعه خازن سرامیکی قابل‌تنظیم با اتصال Y (ستاره) برای هر منبع پیاده‌سازی شد. بخش واقعی بار نیز با یک بانک بار با قابلیت تنظیم پله‌ای محقق شد که اجازه کلیدزنی ناگهانی بار را می‌دهد. دو مبدل منبع ولتاژ دو سطحی مبتنی بر IGBT برای نمایش این منابع به کار رفت. سیستم کنترلی و PWM نیز با یک کنترلر مبتنی بر RTLinux محقق شد، که به سیستم‌های کنترلی تحت مطالعه اجازه می‌داد تا در زبان برنامه‌نویسی C توسعه یابند [18]-[20].

در نمونه ساخته شده در آزمایشگاه، ریزشبکه شامل دو منبع با واسط مبدل است که به صورت سه فاز متصل‌اند. با اینکه هر دو واحد به گونه‌ای تنظیم شده‌اند که مقادیر توان یکسانی تحویل دهند، نقطه عملکرد طبیعی منبع شماره 2 کمتر از منبع 1 در نظر گرفته خواهد شد تا حضور مجموعه متغیری از تولیدات پراکنده نیز تقلید شده باشد. این مقادیر اختصاص داده شده برای منابع در جدول II بیان شده است. همچنین همه تست‌های بحث شده در این بخش از فیلترهای واسط مختلفی استفاده کردند (L_s1 = 5 mH, L_s2 = 10 mH). پارامترهای ریزشبکه‌ سه فاز آزمایشگاهی در جدول V بیان شده‌اند.

ترکیبات گوناگون کنترلی ذیل برای سیستم نمونه آزمایشگاهی به کار گرفته شده است:

• VCS-VCS: منبع 1 و 2 کنترل شده با VCS؛
• VCS-CCS: منبع 1 کنترل شده با VCS، و منبع 2 کنترل شده با CCS>

هر دو ترکیب کنترلری برای بیشتر تست‌های انجام گرفته رفتار مشابهی داشتند؛ لذا، نتایج تنها برای ترکیب VCS-VCS توصیف و تشریح می‌شود. اختلافات رفتاری بین منابع کنترل شده VCS و CCS در آینده تاکید خواهد شد.

 

1. حالت متصل به شبکه

1. پاسخ پله کنترلر: هر دو کنترلر توان حقیقی و راکتیو به گونه‌ای تنظیم شدند که یک پاسخ پله میرا با ثابت زمانی تقریبا 100 ms بدست آید. پارامترهای کنترلی به کار رفته نیز در جدول V بیان شده‌اند. بهره‌های اولیه کنترل به کمک یک مدل سیگنال کوچک ایده‌آل از سیستم آزمایشگاهی همانند مرجع [21] بدست آمدند.

شکل‌موج‌های منتجه برای یک گام همزمان در دو مقدار P_ref تا مقدار نامی در  در شکل8 نمایش داده شده است. کوپلینگ بین کنترلرهای توان حقیقی و راکتیو در این نمونه تست آشکار شده است وقتی که توان راکتیو از نقطه نامی خود در طی زمان گذرای کنترلر توان منحرف می‌شود. در حالی که θ_VSC نشست می‌کند، هر دو منبع سنکرونیزم (همزمانی) هخود با PCC را مختصر از دست می‌دهند. همین موضوع یک تاثیر جزئی روی فرکانس اندازه‌گیری شده PCC دارد اما هنوز در محدوده‌های تعریف شده خود در بخش IV قرار دارد. ولتاژ PCC ملاحظه می‌شود که به علت نسبت کم X/R فیلتر و خط فیدر به صورت جزئی منحرف می‌شود.

شکل9 شکل‌موج‌های منتجه برای یک گام همزمان در دو مقدار Q_ref تا نامی در  را نشان می‌دهد، که مراجع توان حقیقی در مقادیر نامی خود حفظ شده‌اند. به کوپلینگ بین توان حقیقی و راکتیو عبوری توجه کنید (یعنی، از هر دو منبع اغتشاشی در توان حقیقی عبوری وجود دارد).

از شکل‌های8 و 9 می‌توان دید که توان حقیقی حتی وقتی نشست دارد از سیگنال مرجع فاصله می‌گیرد و منحرف می‌شود. این به این خاطر است که فرکانس شبکه بهره‌برداری (utility) ω_p با فرکانس مرجع ω_ref مطابقت ندارد، و لذا فرض اولیه که ω_ref  ω_p  =  دیگر برقرار نیست. از معادله (2) می‌توان نتیجه گرفت که مرجع موثری که توان حقیقی عبوری به آن مقدار تنظیم خواهد شد برابر است با

از آنجا که برای عملکرد مناسب باید D_p کوچک باشد، حتی یک انحراف جزئی ناخواسته در فرکانس شبکه می‌تواند یک تغییر قابل‌توجه در عبور توان حقیقی بوجود آورد. این را می‌توان به سادگی با تنظیم ω_ref طوری که با شبکه سازگار باشد، اصلاح کرد. تنظیم ω_ref  همچنین روی فرکانس کل سیستم در حالت جزیره‌ای اثر خواهد گذاشت. در حالتی که منابع از کنترلر CSS استفاده کنند، مطمئنا این مساله قابل ملاحظه نخواهد بود چون عبور توان حقیقی به ω_p وابسته نیست.

2. کلیدزنی بار: موارد کلیدزنی بار که در نظر گرفته شده‌اند عبارتند از حذف کامل بخش حقیقی بار (بار کامل تا بی‌باری) یا افزودن بار نامی توان حقیقی از یک حالت بی‌باری (بی‌باری تا بار کامل).

شکل‌موج‌های حاصل برای حالت بی‌باری تا بار کامل در  در شکل10 نشان داده‌ شده‌اند. برای نشان دادن اختلاف در رفتار بین VCS و CCS برای یک پدیده کلیدزنی بار، برای کنترل منابع از حالت ترکیبی آنها استفاده شده است (یعنی VCS-CCS). برعکس منابع کنترل‌شده با VCS، واحدهای مبتنی بر CCS با کلیدزنی بار خیلی تخت تاثیر قرار نمی‌گیرند.

قبل از اینکه بار وارد سیستم شود، منبع توان نامی را به شبکه تحویل می‌دهد. در حالتی که منبع از VCS بهره می‌برد، توان حقیقی جاری و جریان خروجی با افزودن بار به طور چشمگیری افزایش می‌یابند (تقریبا از لحظه t = 1.45 s)، اما اما حول و حوش 150 ms به مقدار نامی نشست می‌کند. سیستم مبتنی بر CCS قادر به حفظ توان در حین حادثه است. علت این موضوع که چرا جریان و توان خروجی CCS با تغییر بار تزلزل ندارد این است که حلقه کنترل داخلی جریان dq تنظیم شده است تا نسبت به حلقه کنترل کند توان حقیقی بسیار سریع‌تر پاسخ دهد.

در صورتی که از VCS استفاده شده باشد، اتصال بخش حقیقی بار باعث می‌شود عبور جریان از شبکه به بار مقاومتی سریعا تغییر کند. همین امر باعث تغییر آنی در θ شده، و اختلاف فاز بین θ و θ_VSC نیز به صورت آنی افزایش می‌یابد؛ لذا، عبور توان تا زمانی تغییر می‌کند که اختلاف فاز را بتوان تنظیم مجدد کرد تا با نقطه تنظیم توان حقیقی مطابقت داشته باشد. VCS دارای حلقه کنترل جریان داخلی سریع برای محدودسازی جریان نبوده و در نتیجه نیازمند زمان بیشتری برای بازیابی است. در صورت لزوم، این گردش جریان را می‌توان با تنظیم محدوده‌های θ_VSC بیشتر محدود کرد تا اثر مشابهی با آنچه که در بخش VI-C نشان داده شد، داشته باشد.

 

2. گذر به حالت جزیره‌

گذر از حالت عملکرد متصل به شبکه به حالت عملکرد جزیره‌ای تحت دو شرایط از پیش جزیره‌شدگی انجام گرفت: در یکی از این شرایط منابع کل توان ظاهری بار را تامین می‌کنند، و در دیگری منابع هیچ توان ظاهری را به بار تحویل نمی‌دهند. سیستم آزمایشگاهی قادر بود تا به طور موفقیت‌آمیزی در هر دو حالت گذر داشته باشد. مورد دوم، که از آن به سناریوی جزیره‌شدن بدون برنامه‌ریزی قبلی یاد خواهیم کرد، یک مورد بسیار شدید است چون هر دو منبع باید به محض جزیره‌شدن ریزشبکه از حالت تغذیه هیچ توان ظاهری به حالت تغذیه توان ظاهری نامی گذر کنند (با باز شدن بریکر PCC) تا تقاضای بار را برآورده کنند.

شکل‌موج‌های منتجه برای سناریوی جزیره‌شدن بدون برنامه‌ریزی قبلی برای ترکیب VCS-VCS در شکل11 نشان داده شده است. در این تست‌ها، ریزشبکه در نقطه PCC و در لحظه  از شبکه جدا می‌شود. ثابت‌های دروپ برای سیستم‌های مبتنی بر VCS یعنی D_p ها به گونه‌ای کالیبره (تنظیم) شده‌اند که انحراف فرکانس از مقدار مشخص شده در جدول I منحرف نمی‌شود و اینکه پروفیل سهم بار با مقادیر اختصاص داده شده برای هر منبع در جدول II متناسب است. نقطه تنظیم (ست پوینت) ولتاژ E_s تضمین می‌کند که نقطه عملکرد نامی در حالت جزیره‌شدن قابل دستیابی است.

شکل12، توان حقیقی عبوری و دینامیک فرکانس را در طی حادثه جزیره‌شدن بدون برنامه‌ریزی نشان می‌دهد. فرکانس‌های نشان داده شده مربوط به منابع بوده و مقداری که آنها به آن نشست می‌کنند همان فرکانس PCC ریزشبکه ω_p می‌شود. موردی که در آن ثابت‌های دروپ طوری در مقادیر مختلف تنظیم‌شده‌اند به گونه‌ای که عبور توان متفاوت باشد دارای اندکی انحرافات فرکانسی بیشتری است و این به خاطر پله بزرگتر در توان حقیقی تحویلی به منبع 2 می‌باشد و در بخش پایینی شکل12 نشان داده شده است. این مقایسه اثبات می‌کند که ثابت دروپ می‌تواند طوری تنظیم شود که اطمینان دهد در حالت جزیره، منابع مقادیر نامی توان خود را تحویل خواهند داد.

شکل13، شکل‌موج‌های منتجه را برای همان تست نشان می‌دهد که با ترکیب کنترلرهای VCS-CCS انجام گرفته است. اختلاف عمده سیستم VCS-CCS وقتی است که این سیستم وارد حالت جزیره‌ای می‌شود، که در این وضعیت منبع مبتنی بر CCS هیچ توان ظاهری تحویل نخواهد داد. لذا ضروری است تا مرجع را تنظیم کرد تا تقاضای توان حقیقی رفع شود. این تنظیم پس از جزیره‌شدن در لحظه  در شکل13 اتفاق می‌افتد. این موضوع باعث می‌شود تا سیستم مبتنی بر VCS بار را به طور کامل پشتیبانی و تامین کند تا زمانی که منبع مبتنی بر CCS جزیره‌ای شدن سیستم را درک کند. بهمحض آنکه تنظیم توان مرجع صورت گرفت و کنترلرها نشست کردند، هر دو منبع همانند تست قبلی عمل خواهد کرد.

 

3. عملکرد حالت جزیره‌ای

1. کلیدزنی بار: شکل‌موج‌های منتجه برای حالت (بار کامل تا بی‌باری) در شکل14 نشان داده شده است.

در ترکیب VCS-VCS، عبور توان حقیقی به طور آنی تقریبا به صفر می‌رسد. توان حقیقی تحویلی غیرصفر به علت تلفات مربوط به بخش راکتیو بار است. همچنین این سیستم برای حالتی که بخش حقیقی بار فورا وارد مدار می‌شود (بار کامل تا بی‌باری)، خیلی سریع بازیابی می‌شود. برای حفظ ولتاژ PCC در مقدار نامی آن، E_s می‌تواند در صورت نیاز تنظیم شود. تغییرات کوچک در بارگذاری منجر به گذراهای کمتری شده است.

سیستم VCS-CCS در شرایط جداشدن بار در لحظه  رفتار متفاوتی دارد: از آنجا که منبع مبتنی بر CCS توان P_n  را به 0.7 p.u. تنظیم می‌کند، جداسازی کامل بار باعث خواهد شد P_n واحد CCS از طریق منبع مبتنی بر VCS اصلاح شود، در عین حال که توان حقیقی منفی نشان داده شده در پایین شکل14 را هم در نظر می‌گیرد. در یک سناریوی واقعی، منابع احتمالا تنها اجازه عبور توان یک جهته را خواهند داد که این کار باعث می‌شود منبع مبتنی بر CSS قادر به برآورده کردن P_ref نباشد.

 

6. نتایج شبیه‌سازی

موارد تست بیشتری هم در حوزه زمان به کمک نرم‌افزار PSCAD/EMTDC انجام گرفت تا رفتار کنترلر در سناریوهای شدید خطا که در آزمایشگاه قابل تحقق نبود ارزیابی شده و نیز ویژگی محدودسازی جریان و تشخیص جزیره‌ای شدن برای VCS مورد آزمون واقع شود.

پارامترهای سیستم شبیه‌سازی شده مقیاس‌بندی شد تا بیانگر مقادیر مرتبط با یک ریزشبکه ولتاژ متوسط باشد (13.8 kV). پارامترهای کنترلر و شبکه در جدول III داده شده است. مقادیر توان نامی منابع، بر اساس توان مبنای کل سیستم، در جدول III بیان شده است.

ترکیبات کنترلری ذیل برای شبیه‌سازی تست شدند:

• 5VCS-0CCS- همه منابع از VCS بهره می‌برند؛
• 3VCS-2CCS- ترکیبی از واحدهای مبتنی بر VCS و CCS برای نشان دادن سازگاری/ ناسازگاری بین دو راهبرد کنترلی؛
• 1VCS-4CCS- یک سناریوی مستر- اسلیو، با واحد مبتنی بر VCS که ولتاژ و فرکانس سیستم را در حالت جزیره‌ای پشتیبانی می‌کند، در حالی که واحدهای مبتنی بر CCS در همه وضعیت‌های شبکه به کار خود ادامه می‌دهند.

اگر حالت دیگری رخ دهد، نتایج شبیه‌سازی برای ترکیب اول (5VCS-0CCS) نشان داده شده و تحلیل خواهد شد. اختلاف‌های قابل توجه در عملکرد برای دیگر ترکیبات کنترلری تاکید خواهد شد.

 

1. پاسخ پله کنترلر

شکل15 رفتار ترکیب 5VCS-0CCS در برابر اعمال پله متوالی در P_ref و Q_ref برای هر منبع را تا زمانی که به نقطه عملکرد نامی برسد، نشان می‌دهد. برای همه ترکیبات کنترلری نتایج مشابه بودند (یعنی %VCS-0CCS، 3VCS-2CCS و 1VCS-4CCS).

کوپلینگ بین کنترلرهای توان حقیقی و راکتیو هر منبع، و نیز کوپلینگ بین خروجی‌های منابع جدا در اینجا مشاهده می‌شود. با وجود اثرات کوپلینگ، v و w_p از ناحیه مجاز عملکرد منحرف نمی‌شوند. شکل15 شکل‌موج‌های منتجه را نشان می‌دهد.

 

2. گذراهای خطا

توانایی هر منبع در تشخیص خطا، گذر به حالت جزیره‌ای و دستیابی به شرایط عملکرد طبیعی به گونه‌ای که بار محلی هیچ قطعی را تجربه نکند، در این بخش مورد آزمون قرار می‌گیرد.

شکل16 شکل‌موج‌های حاصل از موردی که در آن ریزشبکه به علت یک خطای سه فاز به زمین در خارج از ریزشبکه به حالت جزیره‌ای در آمده است را نشان می‌دهد (یعنی خطا وقتی ایزوله می‌شود که PCC از شبکه جدا شده باشد). خطا در لحظه t = 0.5 s اتفاق می‌افتد و ریزشبکه پس از تشخیص افت ولتاژ به زیر 0.5 p.u. مطابق جدول I، در لحظه 0.16 s جزیره می‌شود. ولتاژ آنی PCC و دامنه فیلتر شده (τ = 0.01 s) نشان داده شده‌اند. پس از جزیره‌ای شدن، سطح ولتاژ PCC به مقدار نامی آن بازیابی می‌شود و توان‌های حقیقی و راکتیو در تقریبا 350 ms به مقادیر حالت ماندگار خود می‌رسند. همچنین مشاهده می‌شود که وقتی سیستم در معرض دیگر انواع خطاها مثل فاز به زمین، دوفاز به زمین، فاز به فاز و خطای سه فاز به هم قرار می‌گیرد، قادر است تا در حالت جزیره‌شدن بازیابی شود.

سفارش ترجمه تخصصی مهندسی برق

 

3. محدودسازی اضافه‌جریان

 

مشاهده شد که اعمال حدود دینامیکی، پیک جریان‌های خط منبع یعنی I_max را در طی خطا به طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. جریان‌های منتجه خروجی منبع در طی خطای سه فاز در حالت متصل به شبکه در جدول IV برای مواردی که هیچ تنظیمی روی حدود وجود ندارد و حدود دینامیکی اضافه‌جریان فعال شده است، نشان داده شده است. حدود استاتیکی به این صورت تنظیم شده‌اند δ_lim = 20˚، V_lim = 0.1 p.u. و ، در حالی که رابطه دینامیکی (8) این حدود را سفت و سخت‌تر می‌کند.

این نتایج با بیشترین کران‌های حدود پیک جریان خطا که در بخش III-A-IV بحث شد، در تطابق هستند. مشخص شد که لحظه وقوع بدترین حالت خطا برای همه منابع با اتصال موازی قابل حصول نیست، به خصوص منابعی که دارای پارامترهای مختلفی هستند. این موضوع با تغییر پیک جریان‌های خطای این کار شبیه‌سازی انعکاس می‌یابد. همچنین مشخص شد که سهم جریان نامی I_rated در (9) متناظر است با جدول III و نه 1.0 p.u. در سیستم پایه، لذا بیشینه پیک جریان خطا بیشتر کاهش می‌یابد.

ترسیمی از کل سهم جریان خطای حاصل از همه منابع در طی خطای سه فاز به زمین، با محدودسازی اضافه‌جریان، هر دو حالت فعال و غیرفعال، در شکل17 نشان داده شده است. وقتی محدودسازی دینامیکی غیرفعال باشد، ترکیباتی با واحدهای مبتنی بر CSS (یعنی 1CVS-4CCs و 3VCS-2CCS) دارای جریان خطاهای کمتری هستند. فعالسازی طرح محدودسازی دینامیکی ارائه شده در این مقاله، نتایج مشابهی برای همه ترکیبات کنترلری بدست می‌دهد.

 

4. تنظیمات تشخیص جزیره‌شدن و نتایج

برای همه پیکربندی‌های سیستم، پارامترهای T₁ و T₂ برای پاسخ یک باند فرکانسی 1-10 Hz انتخاب شده‌اند، که تضمین کننده آن است که سیگنال‌های dc خطای حالت دائم (مولفه‌های dq) و نوسانات توالی منفی توسط مسیر پسخور مثبت پس زده می‌شوند، اما دیگر انحرافات فرکانس پایین همچنان باقی می‌مانند. حد بالا اطمینان می‌دهد که هر مولفه توالی منفی و هارمونیک‌های کلیدزنی نیز توسط مسیر پسخور مثبت تقویت نخواهد شد. بهره K_d باید برای تمام منابع تعیین شود تا زمان تشخیص جزیره‌ای شدن در حد قابل قبول باشد. معیاری که افزایش سرعت تشخیص را محدود می‌کند پایداری سیستم در حالت متصل به شبکه است. انتخاب درست K_d بستگی به بار و نسبت اتصال کوتاه شبکه (SCR) دارد، که معیاری برای قدرت کوپلینگ شبکه می‌باشد، همینطور، رویه مشخص شده در این بخش باید برای پارامترهای سیستم خواننده اتخاذ شود.

شکل18 نشان دهنده بهره اغتشاش ولتاژ PCC حلقه بسته در فرکانسی با دامنه پیک f_d در تابع انتقال با پسخور مثبت G(s) است. همچنین در این شکل بهره‌ اغتشاشات شبیه‌سازی‌های حوزه زمان سیستم کنترلی و پلنت به کمک اغتشاشی با دامنه 1 در فرکانس f_d نشان داده شده است. همچنین مدل‌های سیگنال کوچک خطی شده برای مقادیر چندگانه K_d در این شکل نشان داده شده است تا محدودیت‌های تقریب دینامیک پسخور مثبت تاکید شود، بدلیل پس‌زنی اغتشاش کوچکتر که برای K_dهای بزرگتر با کوپلینگ ضعیف شبکه (SCR کوچکتر) رخ می‌دهد، همانند فوق وضعیت‌های مدل نقطه‌ای خاص نیازمند یک مدل سیگنال بزرگ است تا به طور صحیح نمایانگر سیستم باشد. سرمنشاء اصلی نادرستی، نمایش دامنه ولتاژ به صورت سیگنال کوچک است، که به شدت بستگی به نقطه عملکرد سیگنال بزرگ دارد. همچنین در شکل18 SCR سیستم شبیه‌سازی و SCR بیشینه نشان داده شده است که برای این SCR بیشینه، ولتاژ PCC برای محدوده مشخص شده در جدول I پشتیبانی می‌شود. این مورد دوم به این خاطر گنجانده شده است که کمترین SCR منطقی که برای آن سیستم فیدبک پسخور باید طراحی شود نشان داده شود، که باعث می‌شود بدون آنکه به منابعی برای هدایت سیستم به سمت ناپایداری نیازی باشد، تجدید پیکربندی شبکه امکانپذیر شده و کنترل کلی قوی‌تر شود.

بالای خط بهره واحد، اغتشاشات توسط مسیر پسخور مثبت مستحکم‌تر می‌شوند، و در نتیجه سیستم را به سمت ناپایداری پیش می‌برند. هدف این است که K_d ای انتخاب شود که سیستم در حالت متصل به شبکه پایدار بوده (SCR زیاد) و در حالت جزیره ناپایدار باشد (مدار باز، یا SCR صفر)، و به این ترتیب حاشیه‌های فوق برای تجدیدساختار شبکه امکانپذیر شود. برای مقادیر بیان شده در شکل18، دیده می‌شود که K_d =1.0 گزینه مناسبی برای شروع است. از آنجا، K_d می‌تواند بیشتر افزایش یابد تا زمان تشخیص جزیره‌ای شدن کم شود.

مقادیر مشخص شده به سیستم‌هایی با یک واحد مبتنی بر VCS اعمال می‌شوند. واحدهای مبتنی بر CCS هیچ تشخیص جزیره‌ای مبتنی بر پسخور مثبت ارائه نمی‌دهد و همینطور، واحدهای کمی هستند که ولتاژ را به خارج از محدوده‌های عملکردی هدایت کنند (پدیده‌ای که در بخش III توصیف شد). لذا، برای یک مقدار K_d داده شده، سیستم 1VCS-4CCS پایدارتر خواهد شد اما کندتر، و سیستم 5VCS-0CCS نزدیک ناحیه ناپایداری خواهد بود، اما تشخیص جزیره‌ای شدن بسیار سریع‌تر در آن اتفاق می‌افتد. این موضوع در شکل19 نشان داده شده است. سیستم 3VCS-2CCS با همان مقادیر K_d به کار رفته برای هر واحد VCS، تقریبا 0.49 s طول می‌کشد در حالی که سیستم 5VCS-0CCS حدود 0.39 s به طول می‌انجامد. در این نتایج، سیستم 1VCS-4CCS با یک مقدار K_d بزرگتر تغییر داده می‌شود تا اینکه جزیره‌ای شدن آن مشابه دیگر پیکربندی‌های سیستم باشد.

این شبیه‌سازی‌ها نشان دهنده سناریویی هستند که در آن منابع هیچ توان حقیقی با راکتیوی با شبکه بهره‌برداری تبادل نمی‌کنند، که بیانگر دشوارترین سناریو برای تشخیص جزیره‌ای شدن پس از باز شدن بریکر PCC است.

مساله‌ای که در حضور منابع مبتنی بر CCS و پس از جزیره‌ای شدن رخ می‌دهد این است که این منابع همچنان تلاش می‌کنند تا توان مرجع خود را تحویل دهند در حالی که سیستم جزیره‌ شده است. راهکار این مساله این است که به محض آنکه ولتاژ PCC به زیر 0.5 p.u. رسید واحدهای مبتنی بر CCS غیرفعال شوند. در شکل موج سیستم 1VCS-4CCS این کار انجام گرفته است تا عملکرد خوب این سیستم به اثبات برسد. قبل از جزیره‌شدن، سیستم تنهای VCS بنا شد تا اکثریت توان حقیقی و راکتیو را تحویل دهد (0.45 p.u.)، تا اینکه منابع مبتنی بر CCS با تحویل مقادیر قابل‌توجه توان‌های حقیقی و راکتیو ولتاژ PCC را پشتیبانی نکنند، و به موجب آن مانع تشخیص جزیره‌ای شدن و یا تاخیر آن نشوند. این یکی از معایب سیستم‌های دارای تنها یک منبع مبتنی بر VCS در تشخیص جزیره‌ای شدن است.

همچنین واضح است که سیستم‌های شامل واحدهای مبتنی بر CCS پس از تایید وضعیت جزیره‌ای فورا بازیابی نمی‌شوند. لذا، نتیجه این می‌شود که وقتی از این روش تشخیص جزیره استفاده شود، حضور واحدهای مبتنی بر CCS ایده‌آل نیست. با این حال، می‌توان واحدهای مبتنی بر CCS را طراحی کرد تا افت ولتاژ را تقویت کرد. با استفاده از همان روش برای واحدهای VCS به کلیه واحدها اجازه خواهد داد تا در تشخیص جزیره سهیم باشند.

بسته به ملزومات عملکرد بار ریزشبکه، دیگر مزیت روش تشخیص پسخور مثبت، احتمال کاهش در زمان قبل از جزیره‌ای شدن حاصل از خطا است. برای افت ولتاژهای جزئی یا خطاهای تکفاز که معمولا باعث تجاوز نرم و غیرقابل قبول به بارهای حساس می‌شود، و اینکه بریکر PCC در 1 یا 2 ثانیه ایزوله خواهد کرد، حلقه پسخور مثبت با افزایش یا کاهش ولتاژ ترمینال مبدل، باعث تحکیم این اغتشاشات خواهد شد. شاخه پسخور مثبت به طور موثر این تجاوز نرم را به یک تجاوز سخت تبدیل کرده و با تبدیل سریع کل زیرشبکه به حالت جزیره‌ای، زمان لازم برای دستیابی به شرایط عملکرد طبیعی را کاهش می‌دهد.

 

7. نتیجه‌گیری

یک سیستم ساده و مقیاس کوچک نشان داده شد تا برای تست‌های گوناگون به کار رود. شبیه‌سازی‌های بیشتر نشان داد که کنترلر می‌تواند با پارامترهایی که بیانگر یک ریزشبکه 13.8 kV ای است در سناریوهای بسیار شدید عمل کند. توانایی این کنترلر در محدودسازی جریان خروجی مبدل حین یک شرایط خطای بسیار بد به اثبات رسید. این یافته بسیار قابل توجه است، چون محدودسازی اضافه‌جریان برای یک راهبرد کنترلی مبتنی بر ولتاژ یک پدیده ذاتی و درونی نیست. به کمک محدودسازی دینامیکی، پیک جریان‌های خطا هرچه بیشتر کاهش می‌یابد.

افزودن ویژگی تشخیص جزیره‌ای شدن نشان می‌دهد که این طرح کنترلی می‌تواند اصلاح شود تا به طور دقیق وضعیت جزیره‌ای شدن ریزشبکه را تشخیص دهد، با این عیب که به علت جزیره‌ای شدن ناشی از یک خطا زمانی که بار در معرض تجاوز سخت قرار می‌گیرد به طور جزئی افزایش می‌یابد.

هدف کار ارائه شده در این مقاله این بود که نشان دهد راهبرد کنترل ولتاژ تحت مطالعه قابل اعمال به کاربردهای ریزشبکه با منابع متعدد است و اینکه ویژگی‌های حفاظت اضافه‌جریان و تشخیص جزیره‌ آن به اثبات برسد. این کار از طریق تاییدیه‌های شبیه‌سازی و آزمایشگاهی و به کمک یک سیستم نمونه حاصل شد.

 

 

شکل1. دیاگرام مداری سیستم تست

شکل2. بلوک دیاگرام کنترلر توان راکتیو/.ولتاژ VCS

شکل3. بلوک دیاگرام کنترلر توان حقیقی/.فرکانس VCS

شکل4. نتایج شبیه‌سازی برای بدترین سناریوی خطا

شکل5. تغییر پیک جریان بدترین حالت خطا با پارامترهای سیستم

شکل6. بلوک دیاگرام کنترلر توان راکتیو/ولتاژ CCS

شکل7. بلوک دیاگرام کنترلر توان حقیقی/فرکانس CCS

شکل8. پاسخ پله توان حقیقی

شکل9. پاسخ پله توان راکتیو

شکل10. برقدارکردن بار در حالت متصل به شبکه

شکل11. VCS-VCS: گذر حالت متصل به شبکه به حالت جزیره‌ای

شکل12. VCS-VCS: تاثیر ثابت دروپ روی رفتار گذرای جزیره‌ای شدن و نقطه نشست

شکل13. VCS-CCS: گذر از حالت متصل به شبکه به حالت جزیره‌ای

شکل14. حذف بار در حالت جزیره‌ای برای ترکیبات VCS-VCS و VCS-CCS

شکل15. پله متوالی در توان‌های حقیقی و راکتیو تا نقطه عملکرد طبیعی برای هر منبع.

شکل16. جزیره‌ای شدن سیستم ناشی از خطای سه فاز با و بدون تشخیص آنی جزیره‌ای شدن.

شکل17. مقایسه کل جریان خطا در فاز A با و بدون محدودسازی دینامیکی در طی خطای سه فاز به زمین برای هر سه پیکربندی‌های سیستم.

شکل18. پایداری سیستم شبیه‌سازی برای بهره‌های مختلف پسخور مثبت به عنوان دستورالعملی برای تنظیم پسخور مثبت (سیستم VCS تنها).

شکل19. نتایج شبیه‌سازی که نشان دهنده تشخیص جزیره‌ای پسخور مثبت برای همه پیکربندی‌های سیستم.