طراحی پایدارساز سیستم قدرت PSS برای ماشین سنکرون متصل به شبکه قدرت

در بررسی دینامیک سیستم های قدرت ، پایداری شبکه قدرت متصل به ماشین سنکرون به عنوان مولد توان شبکه اهمیت بسزایی دارد . این مسئله به هنگام بروز خطا خود را آشکار می سازد ، آنچه که مسلم است در طول خط انتقال شبکه به باس تولید انواع سناریوهایی که منجر به خطا می شوند امکان وقوع دارند و هر کدام به لحاظ دینامیکی باعث ناپایداری ولتاژ و توان شبکه شده و در یک نگاه دقیق تر زاویه توان را افزایش می دهد ، زاویه توان یک متغیر اساسی در تولید ولتاژ و توان خروجی شبکه می باشد و ناپایداری آن به صورت مستقیم بر روی خروجی شبکه اثرگذار است .

انواع روش ها به منظور پایدارسازی این مسئله پس از قطع شبکه با استفاده از بریکرهای امنیتی در مقالات معرفی شده است . در سیستم هایی که مدل شبکه و ماشین به صورت خطی معرفی می شود AVR یا تنظیم کننده ولتاژ اتوماتیک یا اتوبوستر به عنوان اصلی ترین ادوات به منظور پایدارسازی شبکه معرفی می شود که برای مدل آن از چندین حالت معرفی شده در مقالات می توان استفاده کرد .

  

شماتیک یک AVR بکار رفته به منظور تولید فیدبک برای مدل شبکه

در شکل بالا یک مدل AVR نشان داده شده است که در آن سیگنال خطای ولتاژ در AVR مجهز به سیستم تحریک تبدیل به نیروی کنترلی برای سیستم ماشین خطی شده می شود تا سیگنال خطای ولتاژ را به صفر رسانده و شبکه را پایدار نماید .

اما در یک مدلسازی دقیق تر مجموعه ماشین سنکرون ، ترانسفورماتور و سیگنال کنترل پایدارساز به صورت غیرخطی و دقیق براساس مدل SMIB مدل سازی می شود . در این حالت نیاز به طراحی از طریق روش های غیرخطی برای شبکه مورد نظر می باشد تا بتواند پایداری را برای آن داشته باشد . در واقع مسئله پایداری در این حالت نمی تواند توسط AVR برطرف شود .

در طراحی پایدارساز به شیوه غیرخطی انواع روش های طراحی از قبیل خطی سازی فیدبک ، خطی سازی ورودی خروجی ، روش مد لغزشی و همچنین روش های بهینه سازی در جایابی بهینه پایدارساز در شبکه های چندماشینه و چند باسه معرفی می شود .

در انجام پایان نامه ها و پروژه های مرتبط با پایدارساز سیستم قدرت بایستی ابتدا اساس مدلسازی دینامیکی شبکه را مشخص کنید و با بهره گیری از سناریوی مورد نظر (مقاوم سازی ، تطبیقی نمودن ، بهینه سازی و ...) نسبت به انتخاب روش مورد نظر اقدام کنید .

در شبیه سازی روش مورد نظر و در ساختار غیرخطی بهترین انتخاب نرم افزار متلب می باشد چرا که به سادگی می توان معادلات غیرخطی را در آن وارد نمود ، اما در کارکرد خطی نرم افزار Pscad نیز می تواند مفید باشد .

سیستم مدیریت انرژی بهینه هوشمند برای منابع توان هیبرید شامل منبع ذخیره ساز انرژی باتری و پیل سوختی

یک سیستم هیبریدی در کم هزینه ترین حالت شامل یکی از منابع کنترل پذیر مانند پیل سوختی می باشد که بتواند در هر لحظه با دریافت ورودی مورد نیاز (در این مورد هیدروژن) و در دمای مشخص توان بار را تامین کند ، در کنار این منبع می توان از منبع ذخیره ساز انرژی باتری به عنوان یک سیستم پشتیبان که در مواقع مورد نیاز توان را ذخیره و یا به صورت دشارژ وارد سیستم کند می باشد که این مسئله بوسیله متغیر SOC باتری انجام می پذیرد .

در یک پروژه پایان نامه تعریف شده ورودی پیل سوختی که هیدروژن ارسال شده از طریق تانک هیدروژنی می باشد مدیریت می شود در اینجا این کنترل بوسیله منطق فازی که از روش های هوشمند می باشد انجام می پذیرد و هدف آن ایجاد خروجی مورد نیاز از طریق پیل سوختی با همان ورودی لازم می باشد که جلوگیری از اتلاف توان را در دستور کار خود دارد .

در کنار این مسئله کنترل شارژ ولتاژ – جریان تطبیقی باتری دیگر هدف می باشد ، در انجام این پایان نامه از انتگرال خطای SOC باتری برای تخمین جریان مورد نیاز برای تنظیم ولتاژ بار خروجی استفاده می شود که مقداری پایدارتر نسبت به خود متغیر SOC باتری می باشد و این مسئله به صورت تطبیقی و با تخمین این جریان بدست می آید که در دینامیک باتری نیز موجود است .

شماتیک زیر روند ساختار کلی کار را نشان می دهد .

 

شماتیک سیستم هیبریدی مورد استفاده و کنترلی آن

هدف اساسی در این سیستم هیبرید که به صورت یک میکروگرید می باشد تثبیت ولتاژ خروجی در حین تغییرات بار می باشد به گونه ای که کمترین ریپل را در ولتاژ خروجی داشته باشیم و تغییرات حالت گذرا در کمترین زمان ممکن رخ دهد .

پس از مدل سازی اولیه برای سیستم پیل سوختی و تانک هیدروژنی که به صورت معادلات دینامیکی بیان می شود (به دلیل لزوم پیاده سازی روش تطبیقی) ، متغیر خروجی SOC باتری نوشته شده و انتگرال خطای SOC از مقدار 50 درصد تنظیم شده است و از این خطا به عنوان متغیر کلیدزنی برای مبدل باتری استفاده شده است . جدول منطق فازی برای سیستم تانک هیدروژنی نیز براساس طبیعت این سیستم و لزوم جلوگیری از اتلاف توان پیل سوختی بیان شده است .

در شبیه سازی این سیستم از نرم افزار متلب استفاده شده است و معادلات دینامیکی به صورت S-function بیان شده اند . برای پیاده سازی منطق فازی از GUI متناظر با آن در متلب استفاده شده است و بار به صورت بار تعریف شده در متلب با تغییر از طریق تابع جانبی عنوان شده است . برای بیان روش تطبیقی از جایگذاری معادلات آن در Matlab function به صورت گسسته در زمان استفاده شده است . 

ردیابی ماکزیمم توان برای سلول خورشیدی (MPPT) با استفاده از تکنیک سنکرون سازی خطای دینامیکی

سلول خورشیدی به عنوان یک منبع تولید پراکنده مطرح می باشد که توان خروجی آن وابسته به میزان تابش ورودی و دمای محیط می باشد و بر این حسب یک رابطه غیرخطی در آن تعریف می شود . لازمه افزایش راندمان سلول خورشیدی یافتن نقطه ماکزیمم جریان گیری از پنل فتوولتائیک می باشد .

مسئله توان خروجی برای یک سلول خورشیدی علی الخصوص در هنگام نصب آن به یک ریزشبکه اهمیت می یابد چرا که به منظور افزایش قابلیت اطمینان ریزشبکه مورد نظر ، توان خروجی سلول خورشیدی مهم می باشد .

 

شماتیک یک ریزشبکه نمونه

در این پروژه به منظور انجام مسئله MPPT از سنکرون سازی خطای دینامیکی با استفاده از کلیدزنی مبدل استفاده شده است ، به گونه ای که پس از بیان مدل غیرخطی جریان خروجی فتوولتائیک برحسب ولتاژ آن از این واقعیت که توان ماکزیمم در لحظه نسبت به ولتاژ سلول و جریان سلول تغییر نمی کند ، معادلات مرتبه کسری را بیان می کنیم و از این معادله ، رابطه بین تغییرات ولتاژ و جریان برای دست یابی به هدف (ماکزیمم توان) استخراج می شود که از این رابطه در کلیدزنی مبدل DC/DC استفاده می شود . در شماتیک زیر بلوک بندی مراحل لازم برای انجام MPPT نشان داده شده است .

 

 شماتیک کنترلی برای تعیین دوره کار

استخراج دمای سلول و تخمین ولتاژ با توجه به کاهش خطای دینامیکی مطرح شده در بخش قبل مبنای اصلی کار می باشد که پس از تخمین ولتاژ و دریافت ولتاژ خروجی مبدل در کنترلر مبدل سیگنال کنترلی لازم تولید می شود که از آن برای تعیین دوره کار برای مبدل DC/DC استفاده می شود ، البته وجود بار AC در خروجی ما را بر آن می دارد تا از یک اینورتر DC/AC در خروجی مبدل استفاده کنیم .

سیستم های کنترل تطبیقی ، بررسی کاربرد و روش ها

در بررسی دینامیک سیستم ها ، نامعینی یا عدم قطعیت یکی از مسائل مهم در آن می باشد ، با در نظر گرفتن نامعینی در سیستم دینامیکی ما مجاز به استفاده مستقیم از این متغیر نخواهیم بود و نیاز هست تا در قوانین کنترلی جایی برای تدوین یک دینامیک که از آن به دینامیک تخمین گر یا سیستم تطبیقی تعبیر می شود در نظر بگیریم ، بنابه تئوری لیاپانوف این قانون به منظور برقراری شرط دوم آن که منفی شدن مشتق تابع لیاپانوف می باشد بدست می آید ، جایی که علامت عبارت دارای متغیر تطبیق برایمان نامعین بوده و درصدد حذف آن خواهیم بود .

سیستم های کنترل تطبیقی بر چند روش استوارند ، همانند روش های کنترل که بر سه نوع بیان شدند ، سیستم های تطبیقی برای مدل های خطی همچون روش مدل مرجع ، سیستم تطبیقی برای سیستم های غیرخطی همچون روش مدلغزشی یا توابع پیچشی بیان شده در روش گام به عقب و نهایتا روش های هوشمند در بدست آوردن تخمین از متغیرها مانند روش شبکه های عصبی یا فازی که به کرار مورد استفاده قرار گرفته اند .

آنچه در کاربرد سیستم تطبیقی اهیمت بالایی دارد بدست آوردن پایداری داخلی حلقه بسته در ضمن آن می باشد ، به این منظور که هدف نهایی در کاربرد آن محقق شود ، این مسئله بیشتر در سیستم های غیرخطی خود را نشان می دهد . در این مسئله هدف تخمین دقیق پارامتر یا مجموعه پارامترهای مورد اشاره نیست بلکه هدف اصلی بدست آوردن پایداری سیستم و رسیدن به مقادیر مطلوب برای خروجی های سیستم می باشد .

سیستم های کنترل خطی و غیرخطی ، بررسی روش های مهم

مبحث سیستم های کنترل غیرخطی عموما برای تنظیم پایداری سیستم هایی که با مدل های غیرخطی ارائه می شوند مورد بررسی قرار می گیرند ، در یک مدلسازی کلی سیستم های مختلف به سه صورت مدلسازی می شوند ، که عبارتند از :

1. بیان مدل خطی 
2. بیان مدل غیرخطی
3. بیان مدل های عددی

آنچه که مسلم است هیچ سیستمی با دینامیک قطعی خطی موجود نیست و مدلهای خطی یا به روش های خطی سازی از سیستم های غیرخطی حول نقاط کار خود به دست می آیند و یا یک برآورد تقریبی از این سیستم ها می باشند . 

در روش های خطی اغلب روش هایی که مورد استفاده قرار می گیرند ، بر مبنای تحلیل هایی همچون لیاپانوف برای سیستم های خطی و روش راوث هورویتز انجام می پذیرد ، در این میان می توان از روش هایی همچون LQR ، LQG و فیلتر کالمن برای بهینه سازی سیستم کنترلی با وزن دهی مفروض ، برای سیستم های همراه با اغتشاش و سیستم هایی که نیاز به تخمین در آن ها می باشد استفاده کرد .

همچنین در برخی مقالات و کاربردها از روش های برمبنای کنترل مد لغزشی و روش هایی هوشمند نظیر منطق فازی و شبکه های عصبی در طراحی کنترلر و یا بهبود آن ها استفاده می شود .

نهایتا روش هایی همچون سیستم های کنترل مرتبه کسری (fractional order) برای بهبود رفتار خروجی سیستم نیز در این مدل ها جایگذاری می شود .

در بررسی مدل سیستم های غیرخطی به چندین حالت می توان دست یافت ، مدل های شبه غیرخطی و غیرخطی کامل ، در روش های مبتنی بر سیستم های غیرخطی می توان از مدلغزشی (sliding mode) به طریق سیستم های خطی نیز بهره برد .

اما در سیستم های غیرخطی کامل نیاز به روش هایی همچون خطی سازی فیدبک حالت ، خطی سازی ورودی - خروجی ، بازگشت به عقب ، برمبنای لیاپانوف و ... نیاز می باشد تا بتوان برای پایدارسازی آن ها استفاده کرد .

هر کدام از این روش ها نیازمند شرایطی هستند که بایستی در دینامیک سیستم برآورده شوند تا بتوان از آن ها استفاده کرد ، که روش براکت لی از جمله آن هاست ، در روش بازگشت به عقب نیاز به فیدبک محض در سیستم می باشد تا بتوان از ویژگی های آن در این طراحی بهره برد .

در سیستم های عددی بخش عمده ای از مدل به صورت نامعین می باشد که یا می توان از روش های تطبیقی برای آن ها تخمین یافت و یا در صورت عمده بودن این مسئله و عدم توانایی روش های کلاسیک در اثبات پایداری نیاز است تا از روش های هوشمند در جهت شناسایی و تعیین سیستم کنترلی بهره ببریم .

ریزشبکه ها (میکروگریدها) به عنوان منابع تولید انرژی پراکنده محلی

ایستگاه های تولید توان متداول نظیر نیروگاه های برق زغال سنگ ، حرارتی ، گاز طبیعی ، سیستم های هیدروالکتریک و ایستگاه های خورشیدی عظیم به عنوان منابع تولید متمرکز شناخته می شوند که نیاز به انتقال در سراسر شبکه توان دارند و در مقابل منابع انرژی تولید پراکنده به صورت ماژولار ، ارزان ، با تکنولوژی انعطاف پذیر می باشند که در کنار بارهای محلی و در نقاط دور از منابع اصلی قرار داده می شوند ، می باشند .

منابع تولید پراکنده به صورت معمول دارای خروجی توان کمتر از 10 مگاوات می باشند و از انرژی های نو و قابل بازیابی برای تولید توان بهره می برند ، این سیستم ها عبارتند از : سیستم های هیدرو کوچک ، سیستم توربین بادی ، سیستم سلول های خورشیدی ، بهره گیری از گرمای زمین می باشند که نقش ویژه ای در تامین توان پراکنده دارند ، سیستم هایی که به شبکه متصل شده و نقش ذخیره توان را دارند نیز از دسته سیستم های تولید پراکنده می باشند ، در نگاه جدید سیستم های تولید پراکنده هیبریدی که همراه با منابع ذخیره ساز انرژی قرار می گیرند تحت عنوان شبکه های اسمارت (smart grids) می باشند .

ریزشبکه ها از جمله انرژی های نو می باشند ، این شبکه ها به صورت محلی می باشند و می توانند از شبکه اصلی جدا شده و به صورت خودکار به فعالیت خود ادامه دهند ، در این سیستم ها معمولا از دیزل ژنراتور به عنوان کنترلر اصلی استفاده می شود . 

اغلب میکروگرید ها از منابع تولید همچون توربین بادی ، سیستم های خورشیدی ، ابرخازن ، منابع ذخیره ساز انرژی ، سیستم کوانرژی نظیر پیل سوختی و .... استفاده می کنند ، در میکروگرید ها کار کنترل بوسیله سیستم تولید توان دیزل که در کنترل مشترک با سیستم ذخیره ساز و مبدل تولید توان نظیر پیل سوختی می باشد به دست می آید و در آن فرکانس و ولتاژ کنترل می شوند .

به عنوان کنترل کیفیت توان در این شبکه ها می توان از فیلتر های اکتیو و سیستم های ادوات FACTS استفاده کرد .

مسئله مهم دیگر قابلیت اطمینان ریزشبکه ها می باشد که بایستی با در نظر گرفتن عوامل مهمی همچون سایزبندی منابع ذخیره ساز انرژی و مدیریت توان مناسب به آن دست یافت .

پروژه - پایان نامه انجام شده در زمینه کنترل (شماره 5)

بررسی دینامیک های آشوبناک (chaos) در مبدل های DC به DC تحت دینامیک های سطح صفر :

یکی از مسائل در مبدل های DC به DC مشکل سیستم های غیرخطی دوره ای موسوم به آشوب در دینامیک سوئیچ شونده آنهاست ، در واقع ماهیت سوئیچینگ و رفتار هیبرید این سیستم های باعث ایجاد آشوب در آنها می شود . این رفتار آشوبناک در صورت عدم کنترل باعث ایجاد هارمونیک در خروجی مبدل خواهد شد . در کنار این امر نیاز به تنظیم پارامترهای مدار برای اجتناب از این مسئله نیز لازم می باشد که این فرآیند نیاز به شناخت دقیق سیستم دارد . دینامیک استخراج شده در سطح صفر سیستم موسوم به ZAD در این پایان نامه برای اجتناب از ایجاد هارمونیک بدست آمده است و مدل موردی استفاده شده در آن مبدل کاک بوده است . مدل مبدل کاک از پیچیده ترین انواع در مقالات می باشد و مطالعه پیرامون رفتار آشوبناک آن به جهت همین پیچیدگی کمتر بوده است و بیشتر مطالعات پیرامون مبدل های بوست و باک بوده است . در این پروژه ما به منظور کاهش پیچیدگی سیستم از مدل مرتبه کاهش یافته استفاده کردیم و از تکنیک تطبیق لحظه ای در این کاهش مرتبه استفاده کردیم . 

و سپس به صورت معادلات حالت در فضای گسسته آن را برای هر لحظه مدلسازی کردیم ، در هر لحظه از شبیه سازی پارامترهای آشوب شناسایی می شوند و نشان دادیم که سیستم بدست آمده یک تخمین مناسب از مبدل بوده است و به خوبی وجود آشوب در تغییرات پارامترها را نشان داد و همین مسئله کاربرد مناسب آن را در طراحی فیلترهای مورد نیاز برای کاهش هارمونیک نشان داد .