ایران پیپر :: پاسخگویی 24 ساعته

 

 

چکیده- بیشتر تحقیقات سیستم‌های برق ترکیبی[1] (HPS) با هدف تأمین انرژی (برق) پایدار و از لحاظ اقتصادی به صرفه برای برق‌رسانی مناطق روستائی صورت گرفته است. این مقاله روی موضوع طراحی یک سیستم برق ترکیبی برای یک ساختمانی متمرکز است که این ساختمان در واقع بخشی از پروژه برق‌رسانی مناطق شهری است. در کشورهای در حال توسعه، نرخ تقاضا بیش از نرخ افزایش منابع است، که یک چالش بزرگ به شمار آمده و منجر به خاموشی‌های مکرر شبکه می‌شود. انگیزه‌های مختلفی برای ساخت HPS مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر موجود است منجمله مزایای محیطی، اقتصادی و اجتماعی. بیشتر این توپولوژی‌های HPS برای ارتباط ساختمان‌ها با منابع تجدیدپذیر، از اینورتر استفاده می‌کنند که باعث می‌شود کیفیت توان کاهش یابد. لذا، ابتکارات نوین نیازمند طراحی مناسب HPS جدید و نیز بهبود توپولوژی HPS های موجود است. با در نظر گرفتن این موضوع، مقاله حاضر توپولوژی HPS بهبودیافته توسط مجموعه موتور dc- ژنراتور سنکرون را توصیف می‌کند که این مجموعه به جای اینورتر برای یک سیستم برق ساختمانی موجود به کار رفته است. این کار باعث می‌شود کیفیت توان و قابلیت اطمینان منبع بهبود یافته و عملکرد پایدار این سیستم تضمین شود. توپولوژی ارائه شده برای HPS را می‌توان در عمارات منزوی[2] اندازه کوچک تا متوسط مثل ساختمان‌های سبز، صنایع و دانشگاه‌ها به کار برد. دیگر منابع انرژی تجدیدپذیر مثل فوتوولتائیک‌ها (PV)، انرژی بادی (WP) و پیل‌های سوختی (FC) برای ساخت HPS ترکیب می‌شوند. به منظور استفاده بهینه از منابع انرژی برای ترفیع این ساختمان‌ها بصورت قابل اطمینان و پیشرفته، یک الگوریتم مدیریت و کنترل انرژی ارائه می‌شود. مدلسازی و شبیه‌سازی در محیط نرم‌افزاری سیمولینک/MATLAB انجام می‌شود.

 

عبارات کلیدی: مجموعه موتور dc – ژنراتور سنکرون، واحد مدیریت و کنترل انرژی[3] (EMCU)، سیستم برق ترکیبی (HPS)، اینورتر، عملکرد جزیره‌ای و متصل به شبکه، کیفیت توان.

 

1. مقدمه

 

انرژی الکتریکی برای زندگی هر فردی بدون توجه به اینکه چه کسی و یا کجا هستند، ضروری است. این موضوع به خصوص برای قرن جدید صحیح است، چرا که مردم علاقمند به یک زندگی با کیفیت بالا هستند. اکنون این یک واقعیت پذیرفته شده جهانی است که انرژی الکتریکی برای توسعه اجتماعی و اقتصادی بسیار اساسی است. متاسفانه، هنوز یک سوم جمعیت جهان در کشورهای در حال توسعه و یا اندکی توسعه یافته زندگی می‌کنند که هیچ دسترسی به برق ندارند [24]. تخمین زده شده است که جمعیت جهان تا سال 2020 به هشت میلیارد نفر برسد. این رشد جمعیت اغلب در کشورهای در حال توسعه صورت می‌گیرد [25]. بنابراین، برای تأمین برق آنها، توسعه شبکه بهره‌برداری پیچیده و گرانقیمت است چون برخی محدودیت‌های جغرافیایی و اقتصادی موجود است. در کنار این، نیاز به رشد بی‌امان تولید انرژی، کاهش منابع سوهت فسیلی، و مقررات کاهش انتشارات دی‌اکسیدکرین عامل اساسی برای رشد سیستم‌های تولید "انرژی سبز" است. در چنین شرایطی، یک راهکار این است که از منابع انرژی تجدیدپذیر (مثل خورشیدی، بادی، هیدروژنی و غیره) استفاده شده و با سیستم‌های ماژولی، قابل توسعه و تکلیف‌گرای موسوم به HPS (سیستم برق ترکیبی) ترکیب شوند. HPS دو یا چند تجهیز تبدیل انرژی و یا دو یا چند سوخت را برای همان تجهیز با هم ترکیب می‌کند که در حالت یکپارچه قادرند بر محدودیت‌های هر کدام از آنها غلبه کنند.

سیستم برق ترکیبی با چند منبع به همراه کنترل مناسب آن، نسبت به سیستمی با یک منبع، برقی با کیفیت بهتر و قابل اطمینان فراهم می‌کند. این سیستم‌ها (سیستم برق ترکیبی) عموماً مستقل از شبکه بهره‌برداری بزرگ مرکزی هستند. به طور کلی، سیستم‌های برق ترکیبی از ترکیب منابع انرژی تجدیدناپذیر مرسوم مثل سوخت فسیلی، انرژی آبی، انرژی هسته‌ای و یا ترکیب منابع انرژی تجدیدپذیر مثل انرژی خورشیدی، انرژی بادی و غیره استفاده می‌کنند و ممکن است ترکیبی از هر دو نوع منابع تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر باشند. سیستم برق ترکیبی بحث شده در این مقاله ترکیبی از تنها منابع تجدیدپذیر مثل سیستم‌های سلول‌های خورشیدی، پیل‌های سوختی و انرژی بادی است. این منابع تمیز بوده و به وفور در طبیعت موجودند. این سیستم دارای مزایای زیادی نسبت به سیستم تولید برق مبتنی بر سوخت‌های فسیلی است، مثل کاهش آلودگی، راندمان بالا، تنوع سوخت، و نصب در محل[4].

با در نظر گرفتن همه این موارد، سیستم برق ترکیبی غیرمتمرکز زیادی در سراسر جهان نصب شده است. یکی از کاربردهای عمده سیستم برق ترکیبی برآورده کردن نیازمندی‌های برق یک "ساختمان سبز[5]" است. از منظر زیبائی‌شناسیِ معماری سبز یا طراحی پایدار می‌توان به فلسفه طراحی ساختمانی اشاره کرد که با ویژگی‌ها و منابع طبیعی اطراف محل هماهنگی داشته باشد. این ساختمان‌ها با کاهش اتلاف انرژی و سموم، تولید بدون آلودگی، دوام و راحتی، منجر به استفاده بهینه از منابع انرژی می‌شوند [8]، [26]-[28].

 

2. پیشینه کار و شناخت مساله

 

در کل، همه معماری‌های سیستم برق ترکیبی را می‌توان در دو حالت جزیره‌ای و متصل به شبکه دسته‌بندی کرد [30]-[32]. همه این معماری‌ها ممکن است شامل ژنراتورهای دیزلی جریان متناوب [11]، سیستم دیزلی، یک سیستم توزیع جریان متناوب یا جریان مستقیم، بارهاریال منابع انرژی، ذخیره انرژی، مبدل‌های برق، گزینه‌های مدیریت بار یا یک نظارت کلی [20] و موارد دیگر باشند.

این دو دسته‌بندی سیستم‌های برق ترکیبی بصورت ذیل بیان می‌شود:

• سیستم برق ترکیبی خودکفا/خارج از شبکه/جزیره‌ای[6]، که مستقل از شبکه بهره‌برداری بوده و برای برآورده ساختن تقاضای بارها بخصوص در نواحی دوردست به کار می‌رود؛ و
• سیستم برق ترکیبی متصله به شبکه، که بصورت موازی با شبکه برق مرکزی کار کرده و می‌تواند در هر مکانی (روستایی یا شهری) به کار رود.

1. سیستم برق ترکیبی (HPS) خودکفا/ خارج از شبکه/ جزیره‌ای

 

سیستم برق ترکیبی خودکفا برای برخی بارهای خاص طراحی می‌شود. واحدهای برق استفاده شده در آن معمولاً پنل‌های فوتوولتائیک (منبع جریان مستقیم) و ژنراتورهای توان بادی و دیزلی (منابع جریان متناوب) هستند. از باتری‌ها برای ذخیره و پشتیبانی استفاده می‌شود. دیگر ادوات الکترونیک قدرت مثل یکسوسازها، اینورترها، و/ یا مبدل‌ها برای تطبیق منبع تولید جریان مستقیم و جریان متناوب با الزامات ولتاژ و فرکانس بار به کار می‌روند. سیستم کنترلی پیکربندی‌های HPS باید با بیشینه کردن توان منابع تجدیدپذیر باعث کمینه شدن مصرف سوخت شوند [29]. با تغییر انرژی منابع تجدیدپذیر نوساناتی در توان (برق) پیش می‌آید و منجر به اغتشاشاتی می‌شود که می‌توانند روی کیفیت توان تحویلی به بار تأثیر بگذارند. شکل 1 معماری‌های مرسوم برای HPS خودکفا را نشان می‌دهد.

در طرح متمرکز بأس ac (جریان متناوب) شکل 1(a)، همه منابع و بارها به یک بأس ac وصل شده‌اند. برای منابع DC باید از اینورترها استفاده شود تا قبل از اتصال این منابع به بأس، برق dc به ac تبدیل شود. این یک پیکربندی مناسب است که مدیریت افزایش انرژی را تسهیل می‌کند. این طرح همچنین محدودیت بزرگی را در سنکرونیزاسیون اینورترها و منابع ac جهت حفظ ولتاژ و فرکانس سیستم ایجاد می‌کند. هارمونیک‌های نامطولبی که با حضور اینورترها اتفاق می‌افتد باعث افزایش مشکلات کیفیت توان می‌شود.

در طرح متمرکز بأس dc در شکل 1(b)، همه منابع انرژی و بارها به یک بأس dc متصل‌اند. همه منابع ac نیاز به یکسوساز دارند تا قبل از اتصال به بأس dc، برق ac به dc تبدیل شود. بارهای DC را می‌توان مستقیماً به بأس dc متصل کرد که باعث کاهش آلودگی هارمونیکی ناشی از تجهیزات الکترونیک قدرت می‌شود. بأس dc باعث می‌شود نیاز به کنترل فرکانس و ولتاژ منبع تولیدی متصل به بأس از بین برود. این طرح دارای محدودیتی در راندمان است چون در حالتی که هم منبع و هم بار در حالت ac باشند، نیاز به دو مرحله تبدیل برق بین منبع و بار است.

طرح بأس ac/dc نشان داده شده در شکل 1(c) دارای هم بأس ac و هم dc است. بارها و منابع ac مستقیماً به بأس متصل می‌شوند. به طور مشابه، منابع و بارهای dc به بأس dc متصل‌اند. هر دو بأس از طریق یک مبدل دو سویه که اجازه عبور توان را بین دو بأس می‌دهد، به هم متصل‌اند. این چیدمان، قابلیت اطمینان سیستم و پیوستگی تغذیه و تأمین برق را افزایش می‌دهد.

 

1. HPS متصل به شبکه

 

معماری‌های مختلف اتصال به شبکه [5]، [16] و [25] در شکل 2 نمایش داده شده است. هر سیستم دارای مزایا و معایب مخصوص خود است. انتخاب یک طرح برای یک مکان خاص بستگی به عوامل جغرافیایی، اقتصادی و فنی دارد.

در ساختار بأس ac متمرکز نشان داده شده در شکل 2(a)، منابع و باتری همه در یک مکان نصب شده‌اند و قبل از اتصال به شبکه، به یک باسبار اصلی ac وصل می‌شوند. این سیستم متمرکز است؛ بدین معنا که توان تحویلی توسط همه سیستم‌های تبدیل انرژی و باتری از طریق یک نقطه به شبکه تزریق می‌شود. در این مورد، توان تولیدی توسط سیستم فوتوولتائیک (PV) و باتری قبل از اتصال به بأس sc، به توان ac تبدیل می‌شود.

 

 

 

شکل 1. معماری‌های مختلف سیستم برق ترکیبی خودکفا

 

 

 

شکل 2. معماری‌های مختلف سیستم برق ترکیبی متصل به شبکه.

 

 

در ساختار بأس ac توزیعی که در شکل 2(b) نمایش داده شده است، نیازی نیست منابع در کنار هم نصب شوند، و نیز لازم است تا به بأس اصلی متصل شوند. این منابع در مکان‌های جغرافیایی مختلفی پخش می‌شوند و به صورت مجزا به شبکه اصلی وصل می‌شوند. توان تولیدی توسط هر منبع به صورت مجزا تغییر داده می‌شود تا به شکل یکسان با توان موردنیاز شبکه تبدیل شود. عیب اصلی این ساختار، دشواری کنترل سیستم حین خاموش بودن دیزل ژنراتور است.

ساختار بأس dc متمرکز نشان داده شده در شکل 2(c) از یک باسبار dc متمرکز اصلی بهره می‌برد. لذا، سیستم‌های تبدیل انرژی‌ای که توان sc تولید می‌کنند، مثل ژنراتور توان بادی و دیزل ژنراتور، ابتدا توان خود را به یکسوسازها می‌هند تا قبل از تحویل به باسبار dc اصلی به توان ac تبدیل شوند. یک اینورتر اصلی مسئول تغذیه شبکه ac از طریق این بأس dc است.

 

2. مزایا/معایب کلی معماری‌های HPS

 

همانطور که در بخش‌های II-A و II-B ملاحظه شد ساختارهای فعلی HPS دارای محدودیت‌های ذیل هستند.

حالت جزیره‌ای:

• طرح بأس ac متمرکز دارای یک پیکربندی مناسب است که مدیریت افزایش انرژی را تسهیل می‌کند. این طرح همچنین محدودیت بزرگی را در سنکرونیزاسیون اینورترها و منابع ac جهت حفظ ولتاژ و فرکانس سیستم ایجاد می‌کند. هارمونیک‌های نامطولبی که با حضور اینورترها اتفاق می‌افتد باعث افزایش مشکلات کیفیت توان می‌شود.

• طرح بأس dc متمرکز، آلودگی هارمونیکی ناشی از تجهزات الکترونیک قدرت را کاهش می‌دهد. بأس dc نیاز به کنترل فرکانس و ولتاژ منبع تولیدی متصل به بأس را از بین می‌برد. این طرح باعث مزیتی در مصرف سوخت می‌شود، که در مقایسه با دیگر ساختارها حدود 10% تا 14% کاهش نشان می‌دهد اما دارای محدودیت راندمان است چون وقتی بار و منبع هر دو در حالت ac کار می‌کنند باید از دو مرحله مبدل مابین منبع و بار عبور کند.
• طرح‌های بأس ac/dc باعث افزایش قابلیت اطمینان و پیوستگی تغذیه می‌شوند و با مزایا و معایب هر دو ساختار ac و dc متمرکز رو با هم دارند.

حالت متصل به شبکه:

• به طور کلی، بیشتر منابع انرژی تجدیدپذیر در حالت dc کار می‌کنند. لذا، در ساختار بأس ac متمرکز همه منابع dc نیازمند اینورتر هستند تا آنها را به بأس ac متصل کند. این موضوع منجر به مشکلات کیفیت توان سیستم می‌شود.
• عیب اصلی ساختار بأس ac توزیعی، دشواری در کنترل سیستم حین در مدار نبودن دیزل ژنراتور است.
• ساختار بأس dc متمرکز نیاز به اینورترهای بیشتر را از بین می‌برد و منجر به افزایش کیفیت توان می‌شود.

"در مجموع، این ساختارها از نظر کیفیت توان با مشکل مواجهند، که باعث محدودیت اتصال آنها به شبکه بهره‌برداری مرکزی می‌شود. همچنین، از منظر مدیریت مؤثر انرژی بین منابع و بارها جهت افزابش بهره‌برداری، قابلیت اطمینان و پایداری منبع دارای نقصان هستند."

ساختار بهبودیافته ارائه شده برای HPS می‌تواند بر بسیاری از این محدودیت‌ها غلبه کرده و عملکرد حالت متصل به شبکه را تسهیل کند تا قابلیت اطمینان تغذیه ساختمان‌ها بهبود یابد.

 

 

3. ساختار بهبودیافته سیستم برق ترکیبی برای ساختمان‌ها

 

سیستم برق ترکیبی بررسی شده و بهبود یافته در این مقاله شامل منابع انرژی تجدیدپذیری مثل فوتوولتائیک، پیل‌های سوختی، انرژی بادی و نیز باتری‌های ذخیره‌کننده است. اغلب این‌ها (فوتوولتائیک، پیل سوختی، و باتری‌ها) دارای خروجی dc هستند. لذا در این مقاله ساختار بأس dc متمرکز که در شکل 2(c) نشان داده شده است برای سیستم برق ترکیبی متصل به شبکه انتخاب شده است.

 

1. روش به کار رفته در این طرح

 

روشی که در این مقاله پیاده‌سازی شده است به جای استفاده از اینورتر بین بأس dc و بارها/ریزشبکه که در سیستم‌های برق ترکیبی برای ساختمان‌ها به کار می‌رود، از مجموعه موتور dc- ژنراتور سنکرون بهره می‌برد. یعنی دقیقاً بین بأس dc و بارهای ساختمان/شبکه که در شکل 3 نیز نشان داده شده است قرار می‌گیرد.

همچنین، EMCU ارائه شده تقاضای توان و توان تولیدی را در لحظه به عنوان ورودی دریافت می‌کند. بر اساس این دو عامل، می‌تواند منابع موجود را برای تغذیه بار لحظه‌ای متصل شده وارد مدار کند. این کار باعث کاهش اتلاف انرژی می‌شود و لذا هزینه تولید واحد نیز کاهش می‌یابد، همچنین به این ترتیب سیستم تولید برق ساختمان را می‌توان به صورت موازی با شبکه برق اصلی به کار گرفت.

 

 

 

شکل 3. مقایسه سیستم برق ترکیبی مرسوم و بهبودیافته.

 

 

2. توصیف سیستم ارائه‌شده

 

در سیستم نشان داده شده در شکل 4، خروجی منابع تجدیدپذیر نمی‌توانند به طور مستقیم بار را تأمین کنند چون نوسانات ولتاژ ناشی از تغییرات شرایط محیطی به اندازه کافی بزرگ هستند که بتوانند به بار آسیب بزنند [14].

مبدل‌های (dc-dc)/(ac-ac) برای اصلاح این ولتاژها به کار می‌روند. لذا، با اعمال تغییراتی روی مبدل‌ها، ولتاژ متغیر می‌تواند در یک مقدار مشخصی قرار گیرد و سپس به بأس dc متصل شود. ولتاژ بأس dc برای راه‌اندازی موتور dc کوپل شده به ژنراتور سنکرون، به کار می‌رود. توان الکتریکی باید دقیقاً زمانی تولید شود که بار ساختمان آن را می‌طلبد. امکان اینکه منابع انرژی تجدیدپذیر بتوانند انرژی کافی برای راه‌اندازی موتور dc کوپل شده به ژنراتور سنکرون را در همه لحظات تأمین کنند میسر نیست، چون عملکرد آنها به شراط طبیعی متغیر بستگی دارد.

توان خروجی توربین بادی با سرعت باد تغییر می‌کند، توان خروجی سلول فوتوولتائیک با دما و تابش متغیر است و توان خروجی پیل سوختی نیز با سوخت ورودی تغییر می‌کند. بنابراین، دیزل ژنراتور به عنوان یک محرک اولیه به ژنراتور سنکرون کوپل شده است تا مانع کمبود توان شود. موتور dc، آلترناتور و موتور دیزلی توسط یک کلاچ به صورت مکانیکی وصل شده‌اند.

بأس dc همه منابع انرژی و باتری‌های ذخیره‌کننده را با هم ترکیب می‌کند. برای دستیابی به عملکرد بهینه، کارا و قابل اطمینان سیستم پیچیده متشکل از انواع منابع توان، نیاز به یک سیستم کنترلی است [23]. لذا کنترلر ریزشبکه، موسوم به واحد مدیریت و کنترل انرژی (EMCU) به کمک الگوریتم ارائه شده در شکل 14 طراحی شده است. مدل سیمولینک/ MATLAB [2] برای سیستم برق ترکیبی بهبودیافته در شکل 13 ملاحظه می‌شود. این EMCU منابع موجود را با توجه به نیازمندی‌های بار مدیریت/کنترل می‌کند و نیز واکنش شبکه به ورود/خروج توان نسبت به شرایط کمبود یا مازاد توان را تسهیل می‌کند. این موضوع باعث پایداری و اطمینان از عملکرد سیستم می‌شود.

در سیستم نشان داده شده در شکل 4، واحد سنکرون‌کنندهٔ شبکه، ورودی خود را از EMCU دریافت می‌کند و عمل واردات/صادرات توان شبکه را از طریق مدارشکن و ترانسفورماتور و بر اساس شرایط تقاضای بار و توان تولید شده فراهم کند. همچنین در شرایط اضطراری مثل خطاها، که منجر به از دست رفتن سنکرونیزاسیون می‌شود، سیستم را از شبکه جدا می‌کند. هروقت سیستم برق ترکیبی قادر به برآورده ساختن تقاضای بار نباشد آنگاه شبکه بار را تغذیه خواهد رکد و به طور مشابه، هر موقع سیستم برق ترکیبی دارای انرژی اضافی باشد، شبکه را تغذیه خواهد کرد. به دلیل بهبود کیفیت توان توسط ساختار بهبود یافته ارائه شده برای سیستم برق ترکیبی به کمک EMCU، این کار امکانپذیر است.

 

 

 

شکل 4. ساختار سیستم برق ترکیبی بهبودیافته متصل به ساختمان با عملکرد موازی با شبکه بهره‌برداری.

 

 

4. مدلسازی و شبیه‌سازی

 

همه عناصر موجود در سیستم برق ترکیبی بهبودیافته نشان داده شده در شکل 4 مثل سلول‌های فوتوولتائیک [10]، [14]، سلول‌های سوختی [1]، [3] و الکترولیزکننده آن [5]، [6]، توان بادی [7]، [9]، [21]، [22] و باتری‌ها [36]، [37] در محیط سیمولینک/MATLAB و بر اساس معادلات ریاضی داده شده در [14]، [33]-[35] مدل شده و دیگر مدل‌های خاص برای سیستم داده شده به صورت ذیل بیان می‌شوند.

 

1. کنترلر محلی/ مبدل تقویتی DC-DC

 

کنترلرهای محلی همانند شکل 13 بین منابع انرژی و بأس dc کار می‌کنند. کنترلر محلی، سیگنال کنترلی را از EMCU دریافت کرده و با توجه به آن منابع انرژی را سوئیچ می‌کند. این مبنی بر شرایط بار و محیط است. کنترلر محلی شامل یک کلید ایزوله‌کننده به منظور جداسازی منابع خاص از بأس dc به ازای هر سیگنال EMCU است و یک چیدمان مبدل تقویتی dc-dc به منظور تقویت ولتاژ است تا ولتاژ بأس dc را تامیند کند، همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است.

شکل 6 مدل سیمولینک/MATLAB مدل مبدل تقویتی dc-dc را نشان می‌دهد که معادلات حالت [6] و مقادیر [38] به شرح زیر است. پارامترهای مرسوم که باید وارد مساله شوند در جدول I بیان شده‌اند.

 

 

 

 

شکل 5. مدل سیمولینک/MATLAB کنترلر محلی.

 

 

 

شکل 6. مدل سیمولینک/MATLAB مبدل تقویتی.

 

 

مبدل تقویتی dc-dc با تغییر دوره کاری نسبت ولتاژها (δ)، ولتاژ dc را به مقدار دلخواه تقویت می‌کند، که δ توسط رابطه (3) بیان می‌شود

 

که:

V_out     ولتاژ خروجی مطلوب؛

V_in      ولتاژ ورودی.

 

 

2. اتصالات بأس DC

 

بأس dc اتصالات موازی همه منابع است. خروجی منابع انرژی ابتدا به کنترلر محلی داده می‌شوند و سپس وارد بأس dc می‌شوند تا یک ساختار بأس dc متمرکز شکل دهند. شکل 7 مدل سیمولینک/MATLAB بأس dc را نشان می‌دهد. با توجه به این، توان dc به بخش‌های بیشتری از سیستم تزریق می‌شود. بخش بعدی برای بأس dc سیستم اینورتر/موتور dc-آلترناتور است که بر اساس ورودی‌های بأس dc کار می‌کند.

 

 

شکل 7. مدل سیمولینک/MATLAB بأس dc.

 

3. مدلسازی مدار اینورتر

 

اینورتر یک مدار الکترونیکی برای تبدیل ولتاژهای dc ورودی به ولتاژهای سه فاز ac خروجی است. برای طرح معمولی HPS لازم است تا یک مدار اینورتر سه فاز طراحی شود. عموماً این کار توسط تجهیزات الکترونیک قدرت مثل دیودها، IGBT یا تریستورها صورت می‌گیرد. شکل 8 نشان دهنده مدار اینورتر مبتنی بر دیودها/IGBT ها است و پارامترهای مرسومی که باید وارد شوند در جدول II بیان شده‌اند.

شکل 9 نشان دهنده زوایای آتش برای کنترل عملکرد بازوهای اینورتر است. این مدار دارای کنترلر PID(تناسبی، انتگرالی؛ و مشتقی) برای انجام عملیات کنترلی ضروری با توجه به ولتاژ خروجی اینورتر است. ورودی این کنترلر PID سیگنالی است که اختلاف سیگنال تزریقی خروجی اینورتر و سیگنال ولتاژ مرجع است.

 

 

 

شکل 8. مدل سیمولینک/MATLAB اینورتر.

 

جدول II

پارامترهای به کار رفته در مدلسازی اینورتر

 

 

شکل 9. مدل سیمولینک/MATLAB پالس‌های آتش اینورتر.

 

 

 

شکل 10. مدل سیمولینک/MATLAB مجموعه موتور dc/موتور دیزلی- ژنراتور سنکرون.

 

 

 

شکل 11. مدار کنترلر سرعت برای موتور dc.

 

جدول II

پارامترهای مدلسازی آلترناتور

 

 

 

شکل 12. مدل سیمولینک/MATLAB برای کلیدزنی بین موتور dc و موتور دیزلی برای راه‌اندازی آلترناتور.

 

4. مجموعه موتور DC/موتور یزلی-ژنراتور سنکرون

 

به منظور بهبود کیفیت توان، به جای اینورتر از ولتاژ بأس dc برای راه‌انداری موتور- ژنراتور سنکرون استفاده می‌شود که در مدل سیمولینک/ MATLAB شکل 10 نیز ملاحظه می‌شود. مدار کنترل سرعت [22] در شکل 11 نشان داده شده است. برای مدل موتور dc، از کتابخانه سیمولینک Four-Quadrant Chopper dc Drive را انتخاب کنید با این تنظیمات: نقطه تنظیم سرعت برابر rpm 1500، ولتاژ میدان 230 ولت، و در حالت کنترل سرعت. برای مدل آلترناتور، از همان کتابخانه گزینه Simplified Synchronous Machine SI units را انتخاب کنید که پارامترهای آن در جدول III بیان شده است.

همیشه مطلوب این است که تا جای ممکن بدون توجه به بارها و شرایط محیطی، کیفیت توان بیشتر باشد، تا بتوان سیستم را به شبکه بهره‌برداری اصلی وصل کرد. این نیازمند آن است که سیسم دارای ولتاژ و فرکانس ثابت بوده و سیگنال خروجی به شکل سینوسی باشد، لذا، همواره باید فرکانس را کنترل کرد. این کار می‌تواند با کنترل سرعت موتور انجام شود، چون سرعت رابطه مستقیمی با فرکانس دارد، همانند رابطه (4). برای ژنراتور سنکرون سرعت با رابطه زیر بیان می‌شود

 

 

که:

N_S      سرعت سنکرون؛

f        فرکانس؛

P        تعداد قطب‌ها.

 

کنترلر PI (تناسبی و انتگرالی) برای انجام عمل کنترلی ضروری [39]-[41] برای سیم‌پیچ میدان موتور استفاده می‌شود. ورودی‌های این کنترلر عبارتند از سرعت واقعی خروجی و سرعت مرجع.

برای اطمینان از پیوستگی انرژی محرک اصلی برای ژنراتور سنکرون، مجموعه موتور دیزل به عنوان یک محرک اصلی خودکفا کوپل می‌شود. منطق کنترلی شکل 12 شرایط منابع موجوئ و مقادیر بأس dc را بررسی می‌کند تا بداند که آیا ولتاژ بأس dc برای موتور dc کافی است که آلترناتور را راه‌ندازی کند یا نه. در شرایطی که موتور dc قادر به راه‌اندازی آلترناتور نباشد، منطق کنترلی موتور dc را ایزوله کرده و موتور دیزلی را [35] به عنوان محرک اصلی به آلترناتور متصل می‌کند.

 

5. مدل سیمولینک/MATLAB برای طرح HPS بهبودیافته

 

شکل 13 مدل ساختار کلی طرح HPS بهبودیافته ارائه شده را نشان می‌دهد. همانطور که قبلاً تشریخ شد در ابتدا همه منابع انرژی از طریق کنترلرهای محلی به بأس dc متصل‌اند. این بأس dc ورودی مجموعه موتور-ژنراتور را راه‌اندازی می‌کند. مجموعه موتور-ژنراتور شامل یک موتور dc کوپل شده به یک آلترناتور است که توان بارها را تأمین می‌کند. این ساختار باعث بهبود کیفیت توان شده و معایب بزرگ ساختارهای مرسوم HPS را از بین می‌برد. فناوری مجموعه موتور-ژنراتور به عنوان یک بهبوددهنده خط[7] بسیار موثری عمل می‌کند که پایدارسازی ولتاژ و پس‌زنی هارمونیک می‌شود. همچنین به علت اتصال شفت یا تسمه می‌تواند مانع ورود هرگونه نویز خط به خط به خروجی شود.

 

 

 

شکل 13. مدل سیمولینک/MATLAB ساختار سیستم برق ترکیبی بهبودیافته ارائه شده برای ساختمان‌ها.

 

در کنار استفاده از مجموعه موتور-ژنراتور، مورد پیشنهادی در این مقاله شامل طراحی EMCU نیز هست. عملکرد مرسوم EMCU کنترل کنترلرهای محلی و واحد سنکرون‌کننده شبکه است. واحد سنکرون‌کننده شبکه متشکل از یک مدارشکن (CB) و ترانسفورماتور افزاینده/کاهنده است. شرایط عملکردی این واحد به ازای ورودی‌های مختلف EMCU عبارتند از:

• حالت جزیره‌ای نسبت به شبکه؛
• حالت ورود/صدور شبکه.

مطابق شکل 13، در حالت متصل به بکه، مدارشکن توسط دستوری از EMCU فعال می‌شود. EMCU وضعیت توان تولیدی، نیازمندی بار، و یا حالات اضطراری یا خطا را بررسی کرده و سیگنال‌های متناظر را به مدارشکن ارسال می‌کند. مدارشکن برای حالات ورود/صدور شبکه "روشن" بوده و برای حالات جزیره‌ای (مسائل خطا/سنکرونیزاسیون) نیز "خاموش" است. ترانسفورماتور در سمت فشارقوی (HV) در ولتاژ 11 کیلوولت و در سمت فشارصعیف (LV) در ولتاژ 440 ولت کار می‌کند تا وقتی HPS فاقد توان لازم باشد آن را از شبکه وارد کند و وقتی مازاد توان دارد آن را به شبکه صادر کند، به این ترتیب دو حالت عملکردی دارد. شکل 14 روند کنترل EMCU را نشان می‌دهد.

 

 

 

شکل 14. الگوریتم ارائه شده برای EMCU.

 

5. واحد مدیریت و کنترل انرژی

 

واحد مدیریت و کنترل (EMCU) نحوه عملکرد منبع توان را بین منابع موجود سوئیچ می‌کند تا تقاضای لحظه‌ای بار سیستم برآورده شود [13]، [26]. الگوریتم ارائه شده برای EMCU در شکل 14 نشان داده شده است. این الگوریتم توان تولیدی و تقاضای بار را به عنوان ورودی دریافت می‌کند. و این دو مقدار با هم مقایسه می‌شوند تا شرایط مختلف بررسی شوند.

اگر توان تولیدی بیش از توان موردنیاز بار باشد، آنگاه این توان مازاد توسط الکترولیزر پیل سوختی جمع‌آوری می‌شود. الکترولیزرها جهت جذب توان خروجی‌ای که به خاطر بار نوسان سریع دارند به کار می‌روند. الکترولیزر می‌تواند گاز H₂ تولید کرده و آن را در مخزن H₂ ذخیره کند. این گاز به عنوان سوخت برای پیل‌های سوختی به کار می‌رود، که باعث می‌شود هزینه سوخت کاهش یابد. EMCU وضعیت مخزن H₂ را پایش می‌کند. اگر این مخزن پر باشد، توان مازاد برای شارژ باتری به کار می‌رود. وقتی توان خروجی کم باشد این باتری‌ها باعث تأمین بار می‌شوند. وضعیت شارژکنندگی آن نیز وسط EMCU مدام بررسی و پایش می‌شود. عملکرد معمول EMCU را می‌توان به صورت ذیل توصیف کرد.

• EMCU مقادیر P_G و P_L را با هم مقایسه می‌کند تا منابع موجود را به طور بهینه نسبت به تقاضای توان به کار بندد.
• شرایط زیر را بررسی می‌کند:
• P_G ≥ P_L
• P_G < P_L

با توجه به این شرایط، برخی از منابع موجود وارد مدار خواهند شد تا تقاضای توان را به طور دقیق برآورده کنند، در حالی که برخی منابع در حال استراحت خواهند بود.

• در روند کنترلی نشان داده شده در شکل 14، توان بأس dc (P_dc = P_G) به عنوان مجموع توان همه منابع موجود محاسبه می‌شود. و تقاضای بار P_L برابر کلیه تقاضاهای همه انواع بارها در هر لحظه است.
• در ابتدا، سیستم‌های فوتوولتائیک و توربین بادی در مدار هستند چون هیچ هزینه سوخت ورودی ندارند.
• در این شرایط، EMCU توان تولیدی P_G و کل توان در هر لحظه یعنی P_L را با هم مقایسه می‌کند.
• اگر P_G بیش از P_L باشد، نشان می‌دهد که توان مازاد تولید شده است، این توان مازاد برای شارژ باتری‌ها با در فراید تولید هیدروژن در الکترولیزر/ریفرمر به کار می‌رود. اگر EMCU تشخیص دهد که هنوز توان اضافی موجود است، در حالت صادراتی واحد سنکرون‌کننده شبکه را وارد مدار خواهد کرد تا این توان اضافی به شبکه صادر شود.
• اگر P_G کمتر از P_L باشد، نشان دهنده کمبود توان است، در این گونه موارد واحد پیل سوختی وارد مدار می‌شود در حالی که شار پیل سوختی و باتری خاموش است.
• علاوه بر این، باتری‌ها نیز در صورت نیاز وارد مدار می‌شود و اگر باز هم کمبود توان وجود داشته باشد، باقی‌مانده تقاضای توان توسط شبگه مرکزی تأمین می‌شود یعنی EMCU واحد سنکرون‌کننده را به حالت وارداتی از شبکه سوئیچ می‌کند.
• این فرایند سوئیچینگ بین منابع بسته به تقاضای بار و شرایط محیطی ادامه می‌یابد.
• در هر نوع شرایط خطا و یا ضرورت که احتمال از دست رفتن سنکرونیزم وجود دارد، EMCU, واحد سنکرون‌کننده شبکه را باز می‌کند تا HPS از شبکه بهره‌برداری جدا شود.
• لذا، استفاده از این EMCU باعث می‌شود با کاهش استفاده مؤثر از انرژی، سیستم قابل اطمینان‌تر، پایدارتر و از لحاظ هزینه مقرون به صرفه باشد.

در ریزشبکه‌های با ظرفیت نسبتاً کم (حالت جزیره‌ای) [17]، [18]، گزینه‌های منعطفی برای سمت تقاضا وجود دارد تا راندمان عملکرد سیستم و شرایط اقتصادی افزایش یابد. بنابراین، استفاده از مدیریت سمت تقاضا برای کنترل بار، نیاز به ظرفیت تولید را کاهش داده و بهره‌برداری از [4] تجهیزات تولیدی تجدیدپذیر را افزایش می‌دهد و در نتیجه راندمان سرمایه‌گذاری بخش تولید را افزایش می‌دهد.

شکل 15 مدل سیمولینک/MATLAB منطق EMCU برای سیگنال‌های کنترلر محلی را نشان می‌دهد. EMCU سیگنال‌های کنترلی را به کنترلرهای محلی می‌دهد تا بسته به شرایط دینامیکی مختلفی که پیشتر بحث شد، بین منابع مختلف کلیدزنی شود.

 

 

شکل 15. مدل سیمولینک/MATLAB مربوط به EMCU.

 

سیستم برق ترکیبی مبتنی بر نظریه چندعامله[8] است [12]، که در آن زیرسیستم کنترلی به عنوان یک عامل (ایجنت) در نظر گرفته می‌شود [19]. هر عامل به عنوان یک کنترلر محلی برای آن ناحیه عمل می‌کند و به EMCU مرکزی وصل می‌شود تا نقش کسب داده‌ها و مخابرات را مطابق شکل‌های 4 و 13 ایفا کند. این عامل (ایجنت) سیگنال‌های کنترلی را از EMCU دریافت کرده و عملکرد ریزشبکه محلی، (یا) منابع توانی مثل تولید توربین بادی، فوتوولتائیک خورشیدی، پیل سوختی، باتری‌های ذخیره کننده و غیره را مدیریت می‌کند.

 

6. نتایج شبیه‌سازی و بحث‌ها

 

در راستای اهداف این مقاله، نتایج بدست آمده روی موارد زیر متمرکز هستند:

• بهبود کیفیت توان
• عملکرد واحد مدیریت و کنترل انرژی (EMCU)

 

1. مسائل کیفیت توان: سیستم برق ترکیبی بهبودیافته در مقابل کارهای قبلی

 

در کمتر از ده سال، کیفیت توان از حالت ابهام و کم توجهی تبدیل به یک مساله اساسی شده است. تجهیزات الکترونیک قدرت باعث ظهور عملیات مختلفی شده است که راحتی، انعطاف و کارائی بی‌همتای بهره‌برداری مثالهایی از آن است. پیشرفت در زمینه الکترونیک منجر به تجهیزات خبره و حرفه‌ای شده است. این تجهیزات نسبت به کیفیت پایین توان حساس هستند. بنابراین نیاز به کیفیت توان خوب است که عاری از مشکلات کیفیت باشد. لذا، کیفیت توان برق به یک چالش بزرگ برای بهره‌برداران تبدیل شده است.

مشکل کیفیت توان به صورت هر مشکل موجود در ولتاژ، جریان یا انحرافات فرکانس تعریف می‌شود که منجر به عملکرد نادرست تجهیزات ساختمانی شود. مشکل کیفیت توان منجر به بدتر شدن عملکرد انواع مختلف تجهیزات حساس الکترونیکی و الکتریکی در ساختمان‌ها می‌شود. کیفیت توان خوب دارای خصایص ذیل است:

• منبع ولتاژ باید در محدوده تلورانس مشخص شده آن قرار داشته باشد.
• شکل موج باید کاملاً سینوسی بوده و در محدوده جاز اعوجاج قرار داشته باشد.
• ولتاژ سه فاز باید متعادل باشد.
• منبع تغذیه باید قابل اطمینان باشد، یعنی پیوسته در اختیار بوده و قطعی نداشته باشد.

به منظور مقایسه کارائی ساختار HPS بهبودیافته ارائه شده با توپولوژی موجود، پارامترهای حیاتی مختلف مربوط به کیفیت توان به صورت ذیل در نظر گرفته شده و بدست آمده‌اند:

 

1. اعوجاج هارمونیکی کل[9] (THD)
2. محاسبه راندمان تبدیل انرژی (η)
3. راندمان الکتریکی (η_electrical)
4. تغییر در دامنه ولتاژ منبع تغذیه
5. افت و یا افزایش ولتاژ
6. متعادلی/نامتعادلی ولتاژ
7. تغییرات فرکانس

 

1. اعوجاج هارمونیکی کل (THD): اولین و مهمترین پارامتر کیفیت توان عبارت است از اعوجاج هارمونیکی کل (THD). THD یک سیگنال پریودیک معیاری از اعوجاج هارمونیکی موجود است و به صورت نسبت مجموع مربعات دامنه‌های تک‌تک هارمونیک‌ها به فرکانس پایه (یا) به صورت مقدار مؤثر (RMS) کل هارمونیک‌های سیگنال تقسیم بر مقدار مؤثر سیگنال پایه آن تعریف می‌شود. سیگنال می‌تواند عبارت باشد از یک ولتاژ یا جریان اندازه‌گیری شده.

برای مثال، برای جریان‌ها، THD بصورت زیر تعریف می‌شود

 

=  (THD) اعوجاج هارمونیکی کل

 

که در این رابطه ، و

 

I_H       مقدار مؤثر هارمونیک H ام؛

I_F       مقدار مؤثر جریان پایه.

 

شکل 16 نشان دهنده مدل سیمولینک/MATLAB برای محاسبه THD است [2]. دلیل اصلی برای اعوجاج هارمونیکی حضور یک بار خطی است. لذا، در تحلیل این THD، یک بار غیرخطی (بار تجهیز الکترونیک قدرت) در لحظه 5/0 ثانیه به سیستم متصل می‌شود، مطابق شکل‌های 17 و 18، و تحلیل FFT موج جریان برای سه سیکل با یک ماکزیمم فرکانس 1000 هرتز انجام می‌شود.

از شکل‌های 17 و 18 مقادیر THD بدست آمده برای HPS مبتنی بر اینورتر (که یک فیلتر اندوکتانسی 3 فاز به مقدار L =2 mH به صورت سری در خروجی اینورتر قرار دارد) و HPS ارائه شده مبتنی بر موتور-ژنراتور به ترتیب برابر 87/4% و 61/4% هستند. لذا مقدار اعوجاج هارمونیکی به کمک ساختار HPS ارائه شده کاهش یافته است.

 

 

 

شکل 16. مدل سیمولینک/MATLAB بلوک THD.

 

 

 

شکل 17. تحلیل THD برای ساختار مرسوم HPS.

 

 

 

شکل 18. تحلیل THD برای ساختار بهبودیافته HPS.

 

2. راندمان تبدیل انرژی (η): خروجی هر ماشین الکتریکی همواره کمتر از ورودی است، چون در هر مرحله تبدیل انرژی، مقداری انرژی به شکل حرارت تلف می‌شود. بنابراین، این تلفات انرژی و راندمان تبدیل انرژی برای HPS های مبتنی بر اینورتر و مجموعه موتور-ژنراتور بصورت ذیل محاسبه می‌شوند.

 

برای مجموعه موتور DC و ژنراتور: تلفات در مجوعه موتور-ژنراتور را می‌توان به انواع زیر دسته‌بندی کرد:

• تلفات الکتریکی (تلفات انرژی به شکل I² × R × t)
• تلفات مکانیکی (تلفات در شفت و انتقال مکانیکی)

راندمان تبدیل انرژی یک موتور dc به صورت نسبت معادل الکتریکی توان مکانیکی و کل توان الکتریکی ورودی تعریف شده و با نماد η_{dc Motor} نمایش داده می‌شود

 

 

راندمان تبدیل انرژی آلترناتور به صورت نسبت کل توان الکتریکی خروجی در استاتور و معادل الکتریکی توان مکانیکی ورودی تعریف شده و با η_Alternator نمایش داده می‌شود.

راندمان تبدیل انرژی کل این ترکیب یعنی مجموعه موتور-ژنراتور به صورت ذیل تعریف می‌شود:

 

 

(تلفات مکانیکی در شبیه‌سازی‌ها در نظر گرفته شده است، چون مدل‌ها/بلوک‌های MATLAB به صورت ایده‌آل هستند. این تلفات برای یک ماشین با مقدار نامی 100 کیلووات (هر دوی موتور/ژنراتور) با یک خطای مجاز تقریب زده شده است. تلفات در 90% بار کامل محاسبه می‌شود).

تلفات کل در موتور dc = 5282 وات [تلفات الکتریکی = 4282 وات، تلفات مکانیکی = 1000 وات (فرض شده)]

 

 

در نتیجه راندمان موتور (η_dcMotor) = 45/94%

تلفات کل در آلترناتور = 2618 وات [تلفات الکتریکی = 1798 وات، تلفات ثابت = 820 وات (فرض شده)]

 

 

در نتیجه راندمان آلترناتور (η_alternator) = 17/97%

راندمان کلی تبدیل انرژی برای مجموعه موتور-ژنراتور،

 

 

مدل اینورتر: از آنجا که اینورتر یک تجهیز استاتیکی بدون بخش چرخان است، در چنین تجهیزاتی هیچ تلفات توان مکانیکی وجود ندارد. اما به هر حال به خاطر کلیدزنی فرکانس بالای تجهیزات الکترونیک قدرت مقداری تلفات وجود دارد. این نوع تلفات را تلفات کلیدزنی گویند. کل تلفات اینچنینی بسیار کم است، با راندمانی در حدود 97%، (این راندمان به سادگی با تقسیم توان خروجی اینورتر به توان ورودی اینورتر در همان مقدار بار، یعنی 90% بار کامل محاسبه می‌شود).

 

 

3. راندمان الکتریکی (η_electrical): راندمان الکتریکی معیاری از بهره‌برداری توان تولید شده توسط بارها است. این مقدار برابر است با نسبت تقاضای بار به ظرفیت تولیدی نیروگاه. معادلات مدلسازی [42] برای یافتن راندمان الکتریکی به صورت یک چندجمله‌ای درجه چهار است که برای ضریب توان واحد، ضریب توان 8/0، و برای یک بار مشخص داده شده، به ترتیب توسط روابط (8)، (9) و (10) بیان می‌شود. شکل 19 نشان دهنده مدل سیمولینک/MATLAB برای یافتن راندمان الکتریکی است. شکل‌های 20 و 21 نشان دهنده راندمان الکتریکی برای دو سیستم HPS معمولی و ارائه شده در این مقاله، برای بارهای مخلتلف است.

 

 

 

شکل 19. مدل سیمولینک/MATLAB برای راندمان الکتریکی.

 

 

 

شکل 20. راندمان الکتریکی در بارهای مختلف برای ساختار بهبودیافته HPS.

 

 

 

شکل 21. راندمان الکتریکی در بارهای مختلف برای ساختار مرسوم HPS.

 

برای باری (L) با ضریب توان واحد

 

 

برای بار (L) با ضریب توان 8/0

 

 

لذا، برای بارهای داده شده، راندمان الکتریکی برابر است با

 

 

4. تغییر در دامنه ولتاژ تغذیه: تغییرات بلندمدت در ولتاژهای منبع منجر به انحرافات مقدار مؤثر فرکانس‌های توان برای بیش از 1 دقیقه می‌شود. تغییرات بلندمدت می‌تواند هر دوی اضافه ولتاژ[10] و یا افت ولتاژ[11] باشد. یک اضافه ولتاژ به صورت افزایش در مقدار RMS ولتاژ ac به بیش از 110% در فرکانس توان برای مدت بیش از 1 دقیقه تعریف می‌شود. یک افت ولتاژ نیز کاهش در مقدار RMS ولتاژ ac به کمتر از 90% در فرکانس توان برای مدت بیش از 1 دقیقه تعریف می‌شود.

این‌ها (اضافه‌ولتاژها و افت‌ولتاژها) توسط تغییر بار در سیستم و عملیات کلیدزنی ایجاد می‌شود. اضافه‌ولتاژ توسط کلیدزنی بار ایجاد می‌شود (مثلاً از مدار خارج کردن یک بار بزرگ یا برقدار کردن بانک خازنی). وارد مدار کردن یک بار و یا خارج کردن یک بانک خازنی می‌تواند باعث افت‌ولتاژ شود. این تغییرات عمدتاً به علت عدم تطابق توان راکتیو اتفاق می‌افتد. این‌ها همچنین ممکن است وقتی رخ دهند که ریزشبکه از حالت متصل به شبکه به حالت خودکفا (جزیره‌ای) در می‌آید (عدم تطابق در توان راکتیو).

این تغییرات را می‌توان در شبیه‌سازی‌ها با انجام موارد زیر اندازه‌گیری کرد.

• یک بار سلفی بزرگ وارد/خارج می‌شود
• یک بار خازنی بزرگ وارد/خارج می‌شود
• حالات متصل و جدا از شبکه.

 

شکل‌های 22 و 23 میزان تغییران دامنه منبع ولتاژ برای این شرایط را نشان می‌دهند. برای این نتایج، به وضوح می‌توان دید که حتی برای حوادث با مدت زمان طولانی، در مورد HPS ارائه شده این تغییرات نرم و آرام هستند.

5. افت‌ولتاژ[12] و افزایش‌ولتاژ[13]: افت‌ولتاژ به صورت کاهشی بین 1/0 و 9/0 ولتاژ مؤثر در فرکانس توان برای مدتی بین 5/0 سیکل تا 1 دقیقه تعریف می‌شود. اضافه‌ولتاژ نیز به صورت افزایشی بین 1/1 و 8/1 پریونیت در ولتاژ یا جریان مؤثر در فرکانس توان و برای مدت زمانی بین 5/0 سیکل تا 1 دقیقه تعریف می‌شود.

 

 

شکل 22. تغییر در ولتاژ منبع برای تغییرات بار.

 

 

 

شکل 23. تغییر در ولتاژ تغذیه در حالات ناگهانی اتصال به شبکه یا ایزوله.

 

افت‌ولتاژ به خاطر خطای سیستم در شبکه توزیع یا نزدکی یک بار صنعتی بزرگ رخ می‌دهد. این اتفاق می‌تواند در طی راه‌اندازی یک موتور بزرگ نیز رخ دهد. از مدار خارج کردن یک بار بزرگ با برقدار کردن یک بانک خازنی بزرگ نیز می‌تواند منجر به افزایش‌ولتاژ شود. افت و افزایش‌ولتاژ در سیستم با اعمال یک خطای فاز به زمین (L-G) در سیستم و در نزدیکی بار انتهایی ارزیابی شود.

برای تحلیل افت‌ولتاژ، اجازه داده می‌شود تا خطا به مدت 5/1 ثانیه وری فاز “a” استمرار داشته باشد و سپس رفع شود. شکل 24 نشان دهنده افت در ولتاژ فاز دچار خطا شده برای هر دو سیستم مبتنی بر اینورتر و مبتنی بر مجموعه موتور-ژنراتور ارائه شده، می‌باشد. و ملاحظه می‌شود که افت‌ولتاژ در سیستم HPS مرسوم مبتنی بر اینورتر برابر 42% بوده و در HPS ارائه شده در این مقاله برابر 6/21% است، که در مقایسه با مورد قبلی کیفیت سیگنال بهبود می‌یابد.

 

 

 

شکل 24. مقایسه افت ولتاژ فاز دچار خطا شده برای هر دو ساختار HPS مرسوم و بهبودیافته.

 

 

 

شکل 25. مقایسه اضافه‌ولتاژ فاز بدون خطا برای هر دو سیستم HPS مرسوم و بهبودیافته.

 

بحث اضافه‌ولتاژ روی فاز بدون خطا ملاحظه می‌شود. برای تحلیل اضافه‌ولتاژ، اجازه داده می‌شود تا خطا به مدت 8/0 ثانیه روی خط “a” استمرار داشته باشد و سپس رفع می‌شود. شکل 25 تشریح کننده فرمول "اضافه‌ولتاژ" در ولتاژ فاز بدون خطا برای هر دو سیستم مبتنی بر اینورتر و مجموعه موتور-ژنراتوری ارائه شده است. و ملاحظه شد که اضافه‌ولتاژ در سیستم HPS مرسوم مبتنی بر اینورتر برابر 40% و در HPS ارائه شده در این مقاله برابر 28% است، که نشان دهنده بهبود کیفیت سیگنال نسبت به مورد اول است.

6. تعادل/نامتعادلی ولتاژ: نامتعادلی ولتاژ به صورت بیشترین انحراف از متوسط ولتاژهای سه فاز تقسیم بر متوسط ولتاژهای سه فاز تعریف شده و به صورت درصد بیان می‌شود. (یا) نسبت مولفه‌های توالی منفی یا صفر به مؤلفه توالی مثبت معمولاً به صورت درصد بیان می‌شود.

علت اصلی و اولیه نامتعادلی ولتاژ وجود بارهای تکفاز در مدار سه فاز است. نامتعادلی ولتاژ نیز می‌تواند نتیجه خرابی یکی از فیوزها در یکی از فازهای بانک خازنی سه فاز باشد.

این نامتعادلی ولتاژ را می‌توان با اندازه‌گیری ولتاژ توالی مثبت +ve، منفی -ve و صفر محاسبه کرد.

یک بار تکفاز در یک لحظه مشخص وارد یک خط سه فاز می‌شود و ولتاژ توالی منفی –ve مشاهده می‌شود. میزان درصد نامتعادلی توسط رابطه (11) محاسبه می‌شود

 

 

و برای هر دو ساختار HPS، ولتاژهای توالی مثبت و منفی در شکل‌های 26 و 27 نشان داده شده است. عدم تعادل در ولتاژ به صورت ذیل محاسبه می‌شود:

 

 

7. تغییر فرکانس: بر اساس استانداردهای هند، فرکانس شبکه بهره‌برداری باید 50 هرتز باشد با مقدار تلورانس مجاز 3± %، یعنی 5/48 هرتز تا 5/51 هرتز [43]. شکل‌های 28 و 29، نمایانگر فرکانس در هر دو ساختار کنترل‌شده برای تغییرات بار ساختمان بیان شده در این مقاله است.

جدول IV مقایسه کلی سیستم HPS معمولی مبتنی بر اینورتر با سیستم HPS بهبودیافته مبتنی بر موتور-ژنراتور را در پارامترهای مختلف کیفیت توان که پیشتر بحث شد، نشان می‌دهد.

8. مدیریت و کنترل انرژی در HPS بهبودیافته: EMCU پخش انرژی بین همه منابع موجود و نیازمندی بار را مدیریت می‌کند. EMCU بخصوص در سیستم‌های مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر موردنیاز است چون این منابع کاملاً ه شرایط محیطی بستگی دارند، که نسبتاً غیرقابل پیش‌بینی است. لذا، برای اطمینان از تغذیه پیوسته بارها، EMCU نقش حیاتی ایفا می‌کند.

 

 

 

شکل 26. ولتاژهای توالی مثبت و منفی HPS مرسوم مبتنی بر اینورتر.

 

 

 

شکل 27. ولتاژهای توالی مثبت و منفی HPS بهبودیافته مبتنی بر مجموعه موتور-ژنراتور.

 

 

 

شکل 29. فرکانس کل سیستم برای HPS بهبودیافته.

 

جدول IV

استانداردهای عملکرد

 

 

 

شکل 30. تغییر در توان بادی نسبت به تغییر در سرعت باد.

 

 

 

 

 

شکل 31. تغییر در توان خورشیدی نسبت به تغییر در تابش خورشید و دما.

 

 

 

شکل 32. تغییرات بار در بارهای اولیه و ثانویه.

 

شکل‌های 30-32 تغییرات ورودی به HPS را نشان می‌دهد؛ مثل تغییرات توان بادی، توان خورشیدی و تقاضاهای بار. بر اساس این شرایط در هر لحظه EMCU کل توان تولیدی (P_G) و کل تقاضای بار (P_L) را به عنوان ورودی دریافت کرده و سیستم HPS را مدیریت و کنترل می‌کند.

شکل 33 مقادیر نامی بأس dc را نشان می‌دهد مثل توان، ولتاژ و جریان. بأس dc در ولتاژ 230-250 ولت نگه داشته می‌شود.

 

 

شکل 33. توان، ولتاژ و جریان بأس DC.

 

 

 

شکل 34. ولتاژهای خط سه فاز (پیک) در HPS بهبودیافته.

 

 

 

شکل 35. اعمال شرایط خطا روی ریزشبکه.

 

از آنجا که این‌ها مقادیر dc هستند، توان همانند رابطه (12) برابر است با حاصلضرب ولتاژ و جریان.

 

 

شکل 34 نشان دهنده ولتاژ خط (پیک) ریزشبکه بوده و با روابط (13)-(16) بیان می‌شود.

 

EMCU همواره شرایط اضطرار یا خطا را در کنار تقاضای کلی بار و توان تولیدی کل بررسی می‌کند. بر اساس همه این شرایط، واحد سنکرون‌کننده شبکه را در سه حالت به کار می‌اندازد (صادرات/واردات/ایزوله‌سازی). این کار باعث تسهیل کاربرد بهینه منابع انرژی می‌شود، که نهایتاً قابلیت اطمینان سیستم جهت تأمین تقاضای بار در عین حفظ بار را افزایش می‌دهد.

شکل 35 وقوع یک خطا روی سیستم را نشان می‌دهد و شکل‌های 36 و 37 نیز به ترتیب سیگنال کنترل EMCU به واحد سنکرون‌کننده و رفتار ارتباط شبکه نسبت به تقاضای بار و توان تولید را نشان می‌دهند.

 

 

 

 

 

شکل 36. سیگنال‌های کنترل EMCU برای واحد سنکرون‌کننده شبکه برای حالات صادرات/واردات/ایزوله سیستم.

 

 

 

شکل 37. تبادل شبکه (واردات/صادرات/ایزوله)

 

7. نتیجه‌گیری‌ها

 

معماری‌های مرسوم سیستم‌های برق ترکیبی مبتنی بر انرژی تجدیدپذر در معرض مسائل و مشکلات کیفیت توان قرار دارند که در بخش II هم بحث شد. این یک نگرانی اصلی است که منجر به نوآوری این مقاله شده است. این مقاله روی طراحی یک سیستم برق ترکیبی مبتنی بر انرژی تجدیدپذیر متمرکز است که منجر به بهبود کیفیت توان و مدیریت انرژی می‌شود.

روش معرفی شده در اینجا برای اتصال منابع انرژی به بارهای ساختمانی/شبکه مطابق شکل 13 به جای اینورتر از یک مجموعه موتور-ژنراتور سنکرون استفاده می‌کند. برای استفاده بهینه از منابع انرژی، یک EMCU طراحی شده است. این واحد بر اساس کل توان تولیدی و تقاضای توان لحظه‌ای کار می‌کند.

با توجه به نتایج بدست آمده در بخش VI (A&B)، نتایج ذیل حاصل شده است.

• میزان افت/افزایش ولتاژ برای خطاها در حالت ساختار HPS ارائه شده در مقایسه با نوع مرسوم کاهش یافته است.
• بر اساس استاندارد IEEE Std929-2000 [44]، کل اعوجاج هارمونیکی باید کمتر از 5% جریان فرکانس پایه باشد. این کار توسط طرح ارائه شده عملی می‌شود. THD برای طرح ارائه شده برابر 61/4% است که این مقدار برای HPS مرسوم برابر 87/4% است.
• تغییرات ولتاژ نسبت به تبادلات شبکه یا تغییرات بار راکتیو در ساختار بهبودیافته ارائه شده کمتر و نرم‌تر است.
• نامتعادلی‌های ولتاژ و تغییرات فرکانس در طرح بهبودیافته کمتر است، که باعث حفظ شکل سیسنوسی می‌شود.
• سیستم HPS می‌تواند به طور موثری با شبکه بهره‌برداری ارتباط برقرار کرده و توان مازاد را به آن صادر و کمبود توان را از آن دریافت کند.
• EMCU می‌تواند تحت شرایط از دست رفتن سنکرونیزم، سیستم را شبکه بهره‌برداری جدا کند.

 

این نکات نشان می‌دهند که سیستم بهبودیافته باعث بهبود کیفیت توان در ساختمان‌ها شده و کاربرد HPS برای حالت متصل به شبکه را تسهیل می‌کند. نتایج نشان می‌دهند که EMCU پیشنهاد شده قادر به مدیریت انتخاب منابع موجود نسبت به نوسانات بار و شرایط محیطی است.

لذا، سیستم بهبودیافته منجر به تسهیل صدور، ورود، تولید، و استفاده از توان بدون تخطی مقررات می‌شود و تغییرات سریع بار و محیط را تحمل می‌کند. این موضوع باعث تغذیه پیوسته، پایدار و قابل اطمینان بارها می‌شود که در عین حال بهره‌برداری بهینه از منابع انرژی برای تولید توان با کیفیت و از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه را فراهم می‌کند.

 

8. محدودیت‌های طرح HPS ارائه شده

 

در کنار این مزایای بیشمار، طرح ارائه شده ممکن است دارای محدودیت‌های زیر باشد.

• راندمان سیستم ارائه شده در مقایسه با سیستم‌های مرسوم مبتنی بر اینورتر همانطور که در بخش VI-A2 بحث شد، کمتر است.
• هزینه تولید واحد ممکن است در حالتی که HPS قصد تأمین توان یک ساختمان با توان نامی کوچک تا متوسط را دارد یک نوع نگرانی به شمار آید، چون برای اجرا، نگهداری و تعمیر ماشین هزینه‌های زیادی صرف می‌شود.

علیرغم همه این اختلافات جزئی با طرح‌های مرسوم، ابتکار به کار رفته در این طرح می‌توان انرژی سبز و پایداری را تولید کند، با توجه به اینکه دنیا نیز به دنبال چنین گرایشی هست.