منابع پایان نامه ارشد درباره قابلیت اطمینان، عملکرد کنترل، پایداری ولتاژ، توربین بادی

توان اکتیو و راکتیو تزریق می‌کند.
کنترل مبدل به صورت منبع ولتاژ (VSI69): مبدل بار را در فرکانس و ولتاژ از قبل تعیین شده تغذیه خواهد نمود.
باید توجه داشت هنگام بررسی رفتار دینامیکی ریزشبکه‌ها، مبدل‌ها براساس عملکرد کنترلیشان مدل می‌شوند. بنابراین مسائل مربوط به حالات گذرای کلیدزنی، هارمونیک‌ها و تلفات مبدل قابل چشم پوشی است [15].
کنترل مبدل به صورت PQ
این مبدل با تزریق جریان درون شبکه، توان از پیش تعیین شده را تامین می‌کند. مقدار توان راکتیو تزریق شده نیز از پیش تعیین شده است. این مقدار توسط حلقه کنترل کننده محلی یا بوسیله مرکز کنترل (MGCC) ریزشبکه تعیین می‌گردد.
این مبدل‌ها به صورت منبع ولتاژ با کنترل جریان کار می‌کنند. که در شکل ‏13 نشان داده شده است. با استفاده از جریان مولفه موازی و عمودی کنترل می‌کند.این مبدل‌ها توسط بلوک PI-1، دامنه جریان اکتیو تزریقی به شبکه را تنظیم کرده وتوسط بلوک PI-2با تنظیم دامنه جریان راکتیو تزریقی،توان راکتیو خروجی نیز تنظیم می‌شود. ضریب توان مبدل به صورت محلی یا توسط MGCC تعیین می‌شود.

شکل 13 سیستم کنترلی مبدل به صورت PQ
کنترل مبدل به صورت منبع ولتاژ
این مبدل رفتار ماشین سنکرون را شبیه‌سازی می‌کند. در شکل ‏14 این روش کنترلی نشان داده شده است. این نوع کنترل مبدل، همانند منبع ولتاژ ثابت عمل نموده و دامنه و فرکانس ولتاژ خروجی را بوسیله منحنی کاهشی (معادله (1) و (2)) تنظیم می‌کند.(شکل ‏26)

شکل 14 کنترل مبدل منبع ولتاژ
(1)

(2)

در رابطه بالا:
P : توان اکتیو خروجی مبدل
Q : توان راکتیو خروجی مبدل
k_p و k_q: شیب منحنی‌های توان اکتیو-فرکانس و توان راکتیو-ولتاژ
w_0 و v_0: مقادیر فرکانس زاویه‌ای و ولتاژ خروجی مبدل در حالت بی‌باری
هنگامیکه ریزشبکه به شبکه توزیع متصل است، مشخصه‌های فرکانس زاویه‌ای و ولتاژ ترمینال این مبدل بترتیبw_gridو v_grid در نظر گرفته می‌شود. در این شرایط چون فرکانس و ولتاژ تحمیلی هستند بنابراین P و Q مبدل تعیین می‌شود.

شکل 15 منحنی کنترلی توان اکتیو-فرکانس
در حالت جزیره‌ای بین تمام مبدل‌ها تقسیم قدرت اتفاق می‌افتد. در واقع هر کدام از تولیدات پراکنده قسمتی از تامین توان را به عهده گرفته که از معادله (3) محاسبه می‌شود.
(3)

روابط مشابهی برای ولتاژ -توان راکتیو با توجه به منحنی کاهشی وجود دارد. البته باید یادآور شد که امپدانس و مقاومت کابل‌های ریزشبکه باعث می‌شود تا این تقسیم توان راکتیو بطور دقیق انجام نگیرد.
کنترل مبدل‌ها در حالت گذرا
جریان اضافی در مبدل بدلیل اتصال بارهای بزرگ یااتصال کوتاه رخ می‌دهند. در لحظات اول نامتعادلی بزرگی بین بار و تولید رخ داده و تغییرات فرکانس اجتناب ناپذیر خواهد بود. برای غلبه بر این مشکل دو راه حل می توان ارائه داد:
1- اجازه دهیم مقداری از بارهای غیر ضروری از شبکه حذف شوند.(در حال حاضر با استفاده از رله‌های زیر ولتاژ این اتفاق می‌افتد.)
2- مبدل اضافه بار را برای یک مدت زمان کوتاه تحمل کند تا شرایط گذرا از بین برود.
در شبکه‌های سنتی به علت وجود ژنراتورهای سنکرون که بطور مستقیم به شبکه متصل شده‌اند، شبکه قابلیت تامین جریان اتصال کوتاه را دارد. اما در ریزشبکه‌ها که منابع تولیدپراکنده آن از طریق ادوات الکترونیک قدرت به شبکه متصل شده‌اند، این قابلیت به علت ظرفیت کلیدها کاهش خواهد یافت. برای حل مشکل می‌توان از سیستم و روش‌های حفاظتی پیشرفته‌تری بهره جست.
مبدل‌هایPQ تنها می‌توانند مقدار محدودی از جریان اتصال کوتاه را تحمل کنند (1.5 تا 2 پریونیت) اما اگر مبدل‌هایVSI بصورت رو به بالا70 انتخاب شوند،می‌توانند سهم و مشارکت بیشتری در مهار جریان اتصال کوتاه داشته باشند.(از سه تا پنج پریونیت)
اتصال ریزشبکه به شبکه اصلی برق
ریزشبکه باید بدون به خطرانداختن قابلیت اطمینان یا طرح‌های محافظتی یا ایجاد مشکلات دیگر به شبکه متصل شود. به هر حال، ریزشبکه‌ها می‌توانند قابلیت اطمینان بیشتری به شبکه عرضه دارند. همچنین ریزشبکه‌ها می‌توانند با کاهش تهدید‌ها به کارآیی سیستم از شبکه سود ببرند بشرطی که درست تنظیم شوند. بعلاوه، وسایل الکترونیک قدرت در یک ریزشبکه را می‌توان طوری طراحی کرد که شبیه یک بار امپدانسی عمل کند. در واقع، ریزشبکه‌ها می‌توانند خدمات کمکی را فراهم کنند مثل تقویت ولتاژ محلی، هر چند که ولتاژ پایین توانایی آن را برای تغذیه در شبکه محدود می‌کند. اگر ریزشبکه چنین ویژگی را دارا بوده می‌توان آن را بصورت یک مدل شهری شبکه مدنظر قرار داد.
ریزشبکه‌های DC
مخترع بزرگ، توماس ادیسون در سال 1878 سیستم روشنایی قوس الکتریکی را در بوستون به نمایش گذاشت. او برای روشن کردن لامپ‌ها و به چرخش درآوردن ماشین‌ها به جریان برق احتیاج داشت، بنابراین از برق DC استفاده نمود. برای انجام این کار تمامی تجهیزات مورد نیاز برای شبکه توزیع DC ولتاژ پایین(LV) را آماده نمود. این سیستم را برای منطقه‌ای در نیویورک به شعاع 2.6(Km2) اجرا نمود. تا سال 1882 نزدیک به 1200 لامپ به سیستم او در نیویورک اضافه گردیده بود.
اشکال اصلی سیستم DC ادیسون، ولتاژ پایین آن بود، زیرا از افزایش طول فیدرهای برق رسانی به علت افت ولتاژ جلوگیری می‌کرد. اما در سال 1885 جرج وستینگ‌هاوس71 در شرکت خود ترانسفورماتوری طراحی نمود تا توسط آن خطوط انتقال ولتاژ بالا (HV) و خطوط توزیع ولتاژ پایین (LV) ایجاد شوند. بنابراین به سرعت سیستم قدرت AC بر سیستم DC پیشی گرفت. اما هنوز هم ماشین‌های AC وجود خارجی نداشتند.
در سال 1887 نیکولا تسلا72 پایه‌گذار سیستم AC چند فاز گردید؛ و توانست ماشین القایی دو فاز را طراحی نماید. شرکت وستینگ‌هاوس این اختراع را از او خریداری نمود تا در سال 1893 در شیکاگو73 از این سیستم برق رسانی AC برای سیستم‌های روشنایی و ماشین‌ها به طور همزمان استفاده کند.
اولین سیستم برق رسانی بزرگ و طولانی بین آبشار نیاگارا74 و منطقه بوفالو75 ساخته شد. سیستم AC (10.7 kV) برای این کار انتخاب شد زیرا قابلیت انتقال توان را در مسافت‌های طولانی داشت(42km). با شروع قرن بیستم استفاده از سیستم AC به شدت گسترش یافت اما با تمام این تفاسیر تا اواسط دهه 70 میلادی هنوز مناطقی از سوئد76 و استکهلم77 از برق DC استفاده می‌کردند.
سیستم‌های تجاری و صنعتی DC
در حال حاضر از سیستم قدرت جریان مستقیم برای کاربردهای صنعتی و تجاری مختلفی استفاده می‌شود که دلایل زیر را می‌توان ارائه نمود:
راحتی کنترل ماشین‌های DC
ایجاد سیستم پایا و ساده
در گذشته برای کنترل تجهیزات ولتاژ پایین، از ولتاژ DC و در مواردی که نیاز به کنترل نبوده از ماشین‌های AC استفاده می‌کردند. کنترل ماشین‌های DC با تغییر ولتاژ و یا میدان مغناطیسی آن به راحتی امکان‌پذیر است، اما کنترل ماشین‌های القایی کار بسیار دشواری است که امروزه از روش‌های کنترل برداری78 برای کنترل آن استفاده می‌شود. از سوی دیگر با توسعه ادوات الکترونیک قدرت تلفات کنترلی ماشین‌های DC میزان زیادی کاهش یافته است. امروزه ماشین‌های قدرت DC در قطارهای شهری، بین شهری و حتی در سیستم‌های صنعتی یافت می‌شوند.
همانطور که قبلا اشاره شد در قرن بیستم سیستم‌های AC بسیار گسترده شدند اما در مقابل آن سیستم‌های DC جدید توسعه روز افزونی پیدا کرده‌اند. از جمله آن می‌توان به تجیزات جدیدی چون خودرو برقی79، خودرو برقی-زیستی80، کشتی‌ها و سیستم HVDC اشاره کرد[16].
دلایل استفاده از شبکه‌های DC
زمانی که شبکه AC پا به عرصه رقابت گذاشت اکثر بارها به صورت مقاومتی بودند. اما در حال حاضر بارها تغییر ماهیت داده و به بارهای الکترونیکی تبدیل شده‌اند. در واقع توان ورودی آن‌ها AC بوده و با مبدل بهDC تبدیل می‌شود.
در سال‌های اخیر کیفیت توان اهمیت بالایی پیدا کرده است. زیرا کاهش کیفیت توان مشکلات زیادی در شبکه ایجاد می‌کند. به طور مثال جریان‌های هارمونیکی با فرکانس پایین موجب افزایش تلفات و خطای تجهیزات حفاظتی می‌شوند. بنابراین تجهیزات باید بر اساس استانداردهای هارمونیکی ساخته شوند که این استانداردها بسیار سختگیرانه عمل می‌کنند. بنابراین برای این بارها باید از تجهیزاتی استفاده نمود تا ضریب قدرت را تصحیح (PFC81) کنند (شکل ‏27). که خود هزینه بالایی را با توجه به گسترش روز افزون بارهای الکترونیکی ایجاد خواهند نمود.

شکل 16 الف) بار الکترونیکی ب) بار الکترونیکی به همراه PFC
با گسترش کامپیوترها، تجهیزات الکترونیکی، سیستم‌های مخابراتی و توسعه خودروهای برقی نیاز به برق مستقیم در خانه‌ها به صورت گسترده‌ای افزایش یافته است.استفاده از ولتاژهای DC، موجب خواهد شد تا یکسوسازها و مدارهای PFC حذف شوند، بنابراین میزان تلفات و سرمایه‌گذاری کاهش پیدا کرده و کیفیت توان بهبود بیشتری یابد. با توجه به دلایل بالا شبکه‌های توزیع ولتاژ پایین (LV) مورد توجه قرار گرفته‌اند. [17 و 18]
استفاده از خطوط ولتاژ پایین DC برای سیستم‌های خورشیدی و پیل سوختی که ولتاژ DC تولید می‌کنند بسیار مناسب است. زیرا با استفاده از یک مبدل ارزان DC/DC می‌توانند به شبکه توزیع DC متصل شوند. باتری‌ها نیز می‌توانند بدون هیچ واسطی به سیستم DC متصل شوند [19]. میکروتوربین‌ها، نیروگاه‌های کوچک آبی و توربین‌های بادی سرعت متغییر، برق AC با فرکانسی متفاوت با برق شهر ایجاد کرده و برای اتصال به شبکه احتیاج به مبدل‌های AC-DC/AC دارند. اما در اتصال به شبکه‌های DC این تولیدکنندگان نیز سود خواهند برد از آن رو که مبدل DC/AC آن حذف خواهد شد. [20,21]
در مقاله [22] به یک شبکه DC اشاره شده است که توانی در حدود 10KW است. تولیدات این شبکه شامل پیل سوختی، سلول خورشیدی، توربین بادی، دستگاه ژنراتور، یک دستگاه ذخیره‌ساز توان الکتریکی، دستگاه تثبیت توان، و یک مبدل AC-DC است.
به طور کلی مزایای استفاده از شبکه DC را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:
منابع تولیدپراکنده DC به راحتی در شبکه توسعه پیدا کنند
توسعه ذخیره‌سازها و UPSها در شبکه راحت‌تر صورت می‌پذیرد
تامین توان بارهای مستقیم با هزینه کمتر صورت می‌پذیرد.
کیفیت توان در شبکه افزایش می‌یابد.
پایداری ولتاژ در شبکه بهبود می‌یابد.
کنترل ماشین‌های الکتریکی با استفاده از درایورهای سرعت متغییر، از برق DC راحت‌تر خواهد بود.
ریزشبکه‌های AC-DC
توسعه تولیدات پراکنده کمک فراوانی به بهبود وضعیت موجود صنعت برق (قابلیت اطمینان، کاهش تلفات، کاهش پرشدگی خطوط، مسائل محیط زیست و …) نموده است. ولتاژ خروجی بعضی از این تولیدات به صورت DC بوده (سلول‌های خورشیدی و پیل‌های سوختی) و یا ولتاژ AC است که با ولتاژ و فرکانس شبکه متفاوت است بنابراین برای متصل کردن این تولیدات به شبکه، مبدل‌های DC/AC، AC/AC و AC-DC/AC مورد نیاز است. از سوی دیگر بسیاری از بارها ماهیت DC داشته و با ولتاژ مستقیم تغذیه می‌شوند. به طور مثال می‌توان به سیستم‌های مخابراتی82 و الکترونیکی اشاره نمود.
وجود شبکهDCهمانطور که در بخش قبل اشاره شد، می‌تواند مشکلات منابع تولید پراکنده را برای اتصال به شبکه کاهش دهد. زیرا بسیاری از تولیدات می‌توانند به شین DC با استفاده از مبدل الکترونیک قدرت متصل شوند. اما شبکه DC به تنهایی مشکلات ما را حل نخواهد نمود. زیرا هدف ریزشبکه‌های آینده جایگزین نمودن تولیدات DC با AC نیست بلکه ایجاد شبکه قدرت DC محلی است. بنابراین لازم است تا به سمت ایجاد ریزشبکه‌های AC-DC حرکت شود.
در این شبکه‌ها توان انتقالی بین بخش DC و AC اهمیت پیدا می‌کند که در مقالات مختلف به این موضوع اشاره شده است و روش‌هایی برای کنترل اینچنین ریزشبکه‌هایی ارائه شده است. زیرا در یکی از بخش‌های ریزشبکه عنصری به نام فرکانس وجود ندارد بنابراین روش‌های سنتی برای تبادل توان بین دو ناحیه قابل استفاده نمی‌باشد [,23,2425].
تحقیقات انجام شده بر روی ریزشبکه‌ها
از زمانی که ریزشبکه‌ها وارد سیستم توزیع برق شده‌اند، تحقیقات متفاوتی بر روی آن‌ها انجام شده است. البته می‌توان این