ﻝﺮﺘﻨﻛ ﻱﮋﺗﺍﺮﺘﺳﺍ ﺎﺑ ﺎﻫ ﻪﻜﺒﺷ ﺰﻳﺭ …psc-ir.com/cd/2014/papers/1916.pdfﻲﺟﻭﺮﺧ-ﻱﺩﻭﺭﻭ ﻚﺑﺪﻴﻓ ﻱﺯﺎﺳ ﻲﻄﺧ

No. F-14-AAA-0000

بهبود پايداري ولتاژ و فركانس ريز شبكه ها با استراتژي كنترل

خروجي _ردياب خطا توسط خطي سازي فيدبك ورودي

محمود عباديان

دانشكده مهندسي برق - كامپيوتر دانشگاه بيرجند بيرجند، ايران

[email protected]

سيد رضا كاظمي اندبيلي دانشكده مهندسي برق - كامپيوتر

دانشگاه بيرجند بيرجند، ايران

[email protected]

نجفيحميد رضا


[email protected]

رضا غني زاده


[email protected]

چكيده

اساسا ساختار كنترلي ريز شبكه ها در مد جزيره اي، مبتني بر روش

روش هاي هاي كنترل توان اكتيو و راكتيو منابع توليد پراكنده مي باشد.

كنترل توان اكتيو و راكتيو ريز شبكه ها با هدف تنظيم ولتاژ و فركانس به

دو روش متمركز و غير متمركز تقسيم بندي مي شوند. روش غير متمركز

هاي به داليلي همچون قابليت اطمينان باال، ساختار ارتباطي ساده، لينك

ارتباطي يك جهته با پهناي باند پايين وهزينه هاي عملياتي پايين نسبت

به روش هاي متمركز ارجحيت دارد. در اين مقاله ابتدا به استخراج

معادالت سيگنال بزرگ مبدل هاي اينورتري كه مسئوليت كنترل توان

منابع توليد پراكنده را دارند پرداخته مي شود، سپس مدل خطي شده

غير فيدبك ورودي و خروجي آن محاسبه شده و نهايتا با ارائه يك روش

همگام سازي ولتاژ و فركانس منابع و تحقق استراتژي ردياب متمركز

خطا، بهبود پايداري ولتاژ و فركانس ريز شبكه تحقق مي يابد.

جهت نمايش قابليت هاي روش فوق يك ريز شبكه تست شامل چهار

واحد توليدي شبيه سازي شده به همراه نتايج شبيه سازي ارائه مي گردد.

ورودي خروجي، مدل فيدبك: كنترل ردياب خطا، هاي كليدي ه واژ

راكتيواكتيو و سيگنال بزرگ اينورتر، كنترل توان

مقدمه .1

اخيرا صنعت توليد برق در حال حركت به سمت تمركز زدايي توليد با استفاده از منابع توليد پراكنده مي باشد. ريز شبكه ها مهمترين استراتژي

.در ريز شبكه ها هم [1]هستند (DG) ادغام و مديريت منابع توليد پراكندهمانند شبكه هاي معمولي مساله تنظيم و كنترل توان اكتيو و راكتيو مطرح مي شود. كنترل توان اكتيو و راكتيو در ريز شبكه ها نسبت به شبكه هاي سنتي

، انعطاف پذير تر مي باشد. با اين (DG)به علت تعدد منابع توليد پراكنده حال به داليلي چون تعدد عوامل كنترلي، عدم انطباق مشخصه واحد هاي

توليدي و اختالف در ماهيت توليد كننده ها و بعضا خاص بودن بارهاي ريز شبكه، هماهنگ سازي واحد هاي توليدي مشكل تر در نتيجه ساختار كنترلي

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

بهبود پايداري ولتاژ و فركانس ريز شبكه ها با استراتژي كنترل ردياب خطا توسط خطي سازي فيدبك ورودي-خروجي تهران، ايران1393 –بيست و نهمين كنفرانس بين المللي برق

2

. با توجه به ساختار مبدل ها و با عنايت به [2]ريز شبكه پيچيده تر مي باشداين موضوع كه در مبدل ها، كنترل توان اكتيو و راكتيو مستقل از هم امكان

پذير است، حضور هر چه بيشتر منابع با واسطه مبدل هاي الكترونيك قدرت با مفهوم وابستگي كمتر به ادوات جبران ساز توان اكتيو و راكتيو مترادف

است. البته فرض بر اين است كه منابع توليد پراكنده در نظر گرفته شده در ريز شبكه مكفي باشند. در ريز شبكه ها نيز كنترل سيالن توان راكتيو با

مفاهيمي چون كيفيت توان، بازدهي ريز شبكه و منافع اقتصادي عجين شده است. بنابراين با استداللي مشابه كه هزينه هاي كنترل سيالن توان راكتيو را در شبكه هاي سنتي توجيه مي كند، كنترل سيالن توان راكتيو در ريز شبكه

ها هم ضروري است

استراتژيهاي كنترلي ريز شبكه .2

سطوح كنترلي ريز شبكه در سه سطح كنترلي اوليه، ثانويه و ثالثيه تقسيم . مبناي تقسيم بندي فوق اهداف كنترلي، سلسله مراتب [3] مي شود بندي

كنترلي و متغير كنترلي در هر سطح كنترلي مي باشد. در سطح كنترلي اوليه تنظيم مقادير لحظه اي ولتاژ و فركانس در رنج مجاز صورت مي گيرد.

ممكن است با وجود كنترل اوليه همچنان متغيير هاي سيستم در محدوده . در سطح ثانويه با يك ساختار كنترلي كندتر مسئوليت [4],[5]مجاز نباشند

بهبود كيفيت متغيير هاي شبكه صورت مي پذيرد اختالف پاسخ زماني براي هماهنگي زماني دو سطح كنترل ضروري است. در سطح كنترلي ثالثيه در

يك نگاه مهندسي براي اقتصادي شدن ريز شبكه فرامين الزم به سطوح .توضيحات فوق مويد نيازمندي [6],[7]كنترلي اوليه و ثانويه ابالغ مي شود

به ساختار ارتباطي در كنار ساختار مداري ريز شبكه است كه در آن بين كنترل كننده هاي سطوح كنترلي ارتباط وجود دارد. در حال حاضر اين ساختار ارتباطي به دو صورت متمركز و غير متمركز صورت مي گيرد.

) ساختار سلسله مراتبي كنترلي ريز شبكه را به همراه هدف كنترلي 1جدول ( و سيگنال ورودي و خروجي سطوح كنترلي نشان مي دهد

.

: ارتباطي بين واحدهاي توليدي در ساختار كنترلي ريز شبكه، شكل 1شكل

(الف)، ساختار متمركز و شكل (ب) ساختار غر متمركز را نشان مي دهد

ساختار كنترلي متمركز .2.1

كنترل كننده هاي -الف) نشان داده شده است. 2همانطور كه در شكل (. در ساختار كنترلي متمركز عوامل قرار دارند(DG)اوليه و ثانويه در كنار هر

كنترلي، متغير هاي كنترلي را براي پردازش به يك واحد كنترل مركزي (MGCC) انتقال مي دهند. در اين حالت لينك هاي ارتباطي دو جهته و

. معايب [8]داري پهناي باند بيشتري نسبت به حالت غير متمركز مي باشنداين روش عبارتند از:

قابليت اطمينان پايين •

نياز به يك مركز كنترل مجهز •

وجود لينك هاي اتصال فراوان •

ساختار كنترلي غير متمركز .2.2

- ب)، ساختار ارتباطي بين واحدهاي كنترلي منابع توليد 2در شكل ( ها نمايش داده شده است. كنترل كننده هاي اوليه و ثانويه در (DG)پراكنده، . در اين ساختار يك واحد مقادير مرجع را دريافت قرار دارند(DG)كنار هر

مي شود، ديگر واحدها يا بطور مستقيم اطالقLeaderمي كند به اين واحد دريافت مي كنند. لينك Leaderو يا با واسطه، مقادير مرجع را از واحد

هاي ارتباطي در اين ساختار كنترلي يك طرفه بوده و پهناي باند كمتري نسبت به حالت متمركز دارند. اين ساختار تقريبا معايب حالت متمركز را

. [8]پوشش مي دهد و از مزاياي مي توان به موارد زير اشاره كرد

قابليت اطمينان باال •

مراكز كنترل جدا بوده و ساختار ساده تري دارند •

استفاده از شبكه هاي ارتباطي مجزا •

: ساختار سلسله مراتبي كنترل ريز شبكه1جدول


3

كنترل سيالن توان راكتيو در ساختار غير متمركز .3

متصل است به محض ي شبكه، به شبكه اصلزي ري كار عادطيدر شرا شود. ي مي ارهي جزي شبكه وارد مد كارزي ر،ي خطا در شبكه اصلكيوقوع

اعم از ولتاژ و فركانس در ستم،ي سي هاري حفظ متغتي حالت مسئولنيدر ا ولتاژ مجاز است) بر ي% برا5 فركانس و ي% برا2محدوده مجاز (انحراف

حال ممكن است با عملكرد ني. با ا[9] -[12] باشدي مهي كنترل اولعهده ي براني ولتاژ و فركانس از محدوده مجاز خارج شوند. بنابرازي نهيكنترل اول

اجي احتهي ولتاژ و فركانس به محدوده مجاز به كنترل ثانويانيباز .[15] ,[17],[10],[9]است

شبكه ها از ساختار متمركز برخوردار هستند زي متداول در رهيكنترل ثانو ي هانكي با لدهيچي پي ساختار مخابراتكي خود به حي عملكرد صحيكه برا ستمي سناني اطمتي باشند كه باعث كاهش قابلي مازمندي دو جهته نيارتباط

مشكل از ني رفع اي در حال حاضر برا.[18],[17],[14],[13] شونديم پراكنده يراتب شده كه از شبكه مخاعي توزي مشاركتيساختار كنترل

چند عامله(هر عامل ي. ساختار مشاركت[16] شود يبرخوردارند استفاده م باشد) به علت بازده باال و انعطاف ي) مDG پراكنده (دي منبع تولكيمعادل

مثل يعي طبي هادهي از پدي استراتژنيد ان باشي مورد توجه مادي زيريپذ ،يكينامي ترمودني شدن پرندگان ، قواني شدن حشرات ، گروهيتوده ا

الهام گرفته شده يكيزي و فييايمي شي هادهي و گذار فاز در پديهمگام ساز. [20] -[17]اند

چند ي هاستمي شده سعي توزي روش، كنترل مشاركتاني در ادامه به ب كي معناست كه كنترل كننده به ني شده به اعي. مفهوم توزمي پردازي ميعامل

ازي هر عامل اطالعات مورد ني دارد كه در شبكه مخابراتازي نيشبكه مخابرات روش فيتعر در ي كند. اصطالح مشاركتي اخذ مهيرا از عوامل همسا

همه عوامل به ،يداللت دارد كه بر خالف كنترل رقابت ني فوق بر ايكنترل. [21] -[17] كنندي اقدام مي هدف كلكيجهت گروه و دركيعنوان

ي چند عامله جهت همگام سازي هاستمي در سي غالبا از كنترل مشاركت ي شود. در روش همگام سازي استفاده مابي رديرگوالتور و همگام ساز

كي شود، همه عوامل با ي اطالق مزي ندري بدون ليرگوالتور كه روش كنترل وان عامل به عنكي ابي ردي شوند. در همگام سازيمقدار مشترك همگام م

شوند ي همگام مدري با واسطه با لاي مي عوامل مستقگري عمل كرده و ددريل از عوامل ارتباط داشته و ممكن است ي با تعداد محدوددري روش لنيدر ا همگام دري با لگري عامل با وساطت همزمان چند عامل دكي

. [24] - [22]شود

ي برا،ي چند عاملي هاستمي شده سعي توزي از روش كنترل مشاركت زي شود. اگر در ري استفاده مي خطري و غي خطكينامي با ديي هاستميس

) ها DG (ونيزاسي سنكروني عامل باشد براكي) DG هر (ميشبكه فرض كن. [26] -[23] توان از روش فوق استفاده كرديم

و ي خطري) ها غDG ( حاكم بركينامي شبكه ها دزي در رنكهي با علم به ا ي از خط،ي خطكيناميدآن ها به لي تبدي براهستند مي توان همگن ريغ

حالت كنترل ني شود. در اي استفاده مي و خروجي وروددبكي فيساز شود. ي ملي دوم تبده مرتبي مسئله همگام سازكي ولتاژ و فركانس به هيثانو

ي استفاده مانفياپاي از روش لي كردن پروتكل كنترلداي پي براتيدر نهاشود.

نورترياباواسط ) DG (يكينامي بزرگ دگناليمدل س .3.1 گنالي سي خطري غيكينامي شده بر اساس مدل دشنهادي پي ساختار كنترل

بر ي) مبتنDG (كي اگرامي) بلوك د2(شكل شود.ي مي) طراحDGبزرگ ( كي است كه به ينورتري پل اكي شكل شامل ني دهد. اي را نشان منورتريا

ي. حلقه كنترلمي شود) متصل ي باتراي كيي مثال پنل فتوولتاي(براDCمنبع را ينورتري ولتاژ و فركانس پل اان،ي توان، ولتاژ و جريشامل حلقه كنترل

ها مبدلي زندي فركانس كلنكهي اتوجه به. با [29] -[27] كننديكنترل م گيري مقادير صورت مي متوسطقي از طري باشد و مدل سازي باال ماريبس

كرد.يچشم پوشها مبدل ي زندي توان از اثرات كلي مگيرد،

باس ي هاكينامي توان از دي آورده شده م[27] مرجع همانطور كه در )DC(دي) صرفه نظر كرد و آن را از د DG (آل در نظر گرفت. دهي منبع اكي )، DG همان (d-q) در قاب مرجع DG هر (كينامي توجه كرد كه ديستيبا

ام با i (DG) شود چارچوب مرجع ي شوند. فرض مي ميفرمول بند

: ساختار كنترلي مبدل الكترونيك قدرت2شكل


4

) ها را به عنوان DG از (يكي در حال دوران است. قاب مرجع ωiفركانس

گري دωRcomR، قاب مرجع در نظر گرفته و فركانس آن را، فركانس مرجع)DGمي دهي) ها قرار م .δiهي نشان دهنده اختالف زاو i (DG) ام با قاب

كند. ي) صدق م1 باشد. و در رابطه (يمرجع م

اما به علت قاب مرجع در نظر گرفته شده استكي) DG هر (ياگر چه برا

ي اهي سرعت زاوكي مرجع با ي فركانس، همه قاب هايمشخصه افت) بلوك كنترل كننده توان شامل روش 3 چرخند. مطابق شكل (ي ميكساني

P باشد. ومراجع ولتاژ يدروپ كنترلر متداول م

*PVodiو P

*PVoqiي را برا

كند.ي متوليد ينورتري پل اي را براωRiR يكنترل كننده ولتاژ و فركانس كار و Pi با بي كه به ترتوي و راكتوي توان اكتي اصلي كردن مولفه هاداي پبراي

Qiگذر با فركانس قطع نيي پالتري از دو فمي دهي نشان م ωRcRiي استفاده م ي ماني) ب3) و (2 حاكم بر كنترل كننده توان با رابطه(ليفرانسي. روابط دميكن

. [30]شوند

vRoiR و درجه دوم مي مستقيمولفه ها iRoqiR،iRodiR ،VRoqiR ،VRodiRدر روابط باال

ي شود كه استراتژي) مشخص م3 باشند. از شكل (ي) م2در شكل ( iRoiRو كند.ي منطبق مd محور ي)، دامنه ولتاژ را بر روDG هر (ي ولتاژ براهياول

و [20] ,[17] دهدي كنترل كننده ولتاژ را نشان ماگرامي) بلوك د4شكل (

) 8) تا (5 حاكم بر كنترل كننده ولتاژ از روابط (ليفرانسي ديروابط جبر. دي آيبدست م

: ساختار كنترل كننده ولتاژ4شكل

PIمتغير هاي حالت كمكي براي كنترل كننده و در روابط باال

) ، مي باشند. پارامتر هاي ديگر در شكل هاي 4نشان داده شده در شكل () بلوك دياگرام كنترل كننده جريان را 5) نشان داده شده اند. شكل (4) و (2(

نشان مي دهد و روابط جبري ديفرانسيل حاكم بر كنترل كننده ولتاژ از روابط ) بدست مي آيد.12) تا (9(

ϒdi وϒqiكنترل كننده ي شده برافي تعري كمكي هاري متغ PI) 5 شكل () 2شكل ( ilRiR اني و درجه دو جرمي مستقي مولفه هاilqRiRو ildRi R.، باشنديم ) نشان داده شده اند.5) و (2 (ي پارامتر ها در شكل هاگري باشند. ديم

) نا 13 با روابط ( يابط خروجو و رLC لتري فيليفرانسي-ديمعادالت جبر . باشدي مريبه صورت ز) 18(

: ساختار كنترل كننده توان3شكل

)2(

)4(

)3(

)1(

)9(

)10(

)11(

)12(

)13(

)14(

)5(

)6(

)7(

)8(

)15(

)16(


5

با واسط مبدل (DG)) معادالت سيگنال بزرگ، 18) تا (1 معادالت (

الكترونيك قدرت مي باشد. مي توان اين معادالت را بطور خالصه با رابطه ) مرتب كرد.19(

) نشان داده شده است. 20كه بردار حالت با رابطه (

DRiR =[ωRcomR,VbdRiR,VbqRiR] باشد و ي) م19 بردار معلوم در رابطه (كي شوند. ي) محاسبه م18) تا (1 از روابط (g(xRiR) و f(xi) ،k(xRiR)توابع

ي شود كه ولتاژ خروجي باعث مVni ولتاژ با اتخاذ مناسب هيكنترل ثانو)DGشود. كي شان نزدي) ها به مقدار نام 〖Vo,magi→VRrefR〗 رابطه

شود. ي) محاسبه م21) از رابطه (DG (يدامنه ولتاژ خروج

مي توان VoRmagiR→V به گونه اي كهVRni Rبا انتخاب ورودي كنترلي

همگام سازي دامنه ولتاژ را محقق كنيم بنابراين براي كنترل ثانويه ولتاژ مي باشد. URiR = VRnRو yRiR = VodRiR ورودي و خروجي به ترتيب برابر

شدهعي توزي مشاركتي استراتژبا هيكنترل ثانو .3.2

است كه در يابي ردي مسئله همگام سازكي شبكه ها، زي رهيكنترل ثانو خود را با مقدار مرجع از ي) ها دامنه و فركانس ولتاژ خروجDGآن همه (

روش همه عامل ها به دنبال همگام ني شده همگام كنند. در انيي تعشيپ

فرستد ي عوامل مگري را به دي كنترلگنالي كه سدري عامل لكي با يسازبه سپس شود ي گراف ارائه مهي درباره نظري مقدماتابتدادر ادامه هستند.

ي و كنترل مشاركتخروجي – ي وروددبكي في سازيكنترل ولتاژ توسط خطنتايج شبيه سازي ها يك سيستم با چهار تي و در نهامي پردازي شده معيتوز

نشان داده مي شود. .(DG)منبع توليد پراكنده

نظريه گراف گراف كي) را با DG (عي توزي ژنراتور هاني بي توان شبكه مخابراتي م

) كه جهت گراف نشان دهنده جهت تبادل توان است Digraphجهت دار(و با مجموعه Gr=(VRGR, ERGR, ARGR) گراف معموال به صورتكينشان داد.

مجموعه از لبه ها (بردار كيو VRGR ={VR1R,VR2R,…,VRNR} گرهN از ينا ته سيو ماتر ERG R⊂ (VRGR×VRGR) نشان دهنده جهت ارتباط)، ي بعددو

A ،ARGR=[aRijR]ϵR Pمجاورت

(n×n)P شبكه، زي ركي شود. در يمشخص م

)DG(ني بي گراف و لبه گراف ارتباط مخابراتي) ها معادل گره د DG ها ( ي ثابت مARGR سي شود كه ماتري روش فرض مني دهد. در ايرا نشان م

aRijR باشد. ي ام مi ام به گره j لبه از گره كي دهنده نشان) VRjR,Viباشد. ( aij>0 صورت ني باشد در اϵ ERGR (VRjR,Vi) ) بوده و اگرVRjR,Viوزن لبه (

گره گاني مجموعه همساشي نمايبرا. باشدي مaij=0 صورت ني اريو در غ گراف اگر ي دكي ي شود. براي استفاده مNj={i|(VRjR,VRiR)ϵERGR }، از j ي

است و j به i صورت جهت تبادل توان از ني باشد، در اj گره هيهمسا iگره جهت دار به سمت گره با ي لبه هاسي باشد. ماتريلزوما عكس آن صادق نم

D ،D = diag{di} ∈ RP

(N×N)P,di = ∑aRijRبا 21 شود[ي نشان داده م .[

داشت:مي هر گره خواهي فوق برافيتعار

ي باشد، بصورت استاندارد براي ام مi گره ي هاي ورودuRiR)، 22 رابطه (درuRiR ) بر قرار است23رابطه (

مي رسي)م24)، به رابطه (23 گسترش رابطه (با

اتي با فرضمي كنيدسته بند گره نوشته و i=1,…,n ي) را برا24 رابطه (اگر

داشت:مي خواهري زفيبا تعار

: ساختار كنترل كننده جريان5شكل

)21(

)20(

)17(

)22(

)23(

)24(

)16(

)18(

)19(


6

، ماتريس الپالسين اطالق مي شود. مقادير ويژه L)، به ماتريس 26در رابطه (

ماتريس الپالسين در پاسخ سيستم و نحوه همگرايي پاسخ موثر است.

خطي سازي فيدبك ورودي خروجي براي خطي سازي فيدبك ورودي - خروجي فرض مي شود كه مدل

) باشد27فضاي حالت سيستم مطابق با رابطه (

با مشتق گيري متوالي بين ورودي (مشتقات ورودي) و خروجي(مشتقات

.[22]) برقرار مي شود28خروجي) رابطه (

شود. ي) محاسبه م29 از رابطه (يورود كمكي ريي متغفيتعربا

) تعاريف زير برقرار است.29در رابطه (

ي ولتاژ و فركانس خطاابي رديگام سازهم .3.3 باشد. كنترل كننده ي مuRiR ،ي در استراتژي دروپ كنترلر كنترلي ورود

ي شود خروجي باعث م،ي كنترلي ورودي با اعمال كنترل بر روهيثانو(DG)،yRoR ،با مقدار مرجع yRrefRدامنه ولتاژ (ي همگام شود. همگام ساز DG (

است با مقدار VodRiR ،ي ولتاژ خروجمي مستقهها معادل همگام شدن مولف ي كردن فركانس خروجيكي فركانس هدف يمرجع است. و در همگام ساز

≡ yo و yi→yo ي باشد. در كل هدف كنترلي)مدريواحدها با واحد مرجع (ل

VRrefR[30] باشدي م.

نباشد كساني بوده و ممكن است ي خطري) ها غDG (كينامي از آنجا كه د دبكي في سازي كنترل كننده از روش خطي در طراحلي تسهي توان برايم

و ي مكرر از خروجيري كار با مشتق گني ا. استفاده كردي خروجيورود رابطه مطابق.ابدي ي تحقق مي و خروجي ورودني بمي ارتباط مستقكي افتني) ها DG (ي و خروجي ورودني ب،ي از خروجيري) با دو بار مشتق گ28(

.[30] شودي) برقرار م32( ميرابطه مستق

داريم كه در رابطه باال

) 33) و(32 از رابطه ( ، vRiRي كمكريي متغفيبا تعر

. مي رسي مستمي مرتبه دوم سيبه مدل خط

. ابدي يتحقق م yRiR ي مناسب براي، همگام سازvRiR يبا انتخاب مناسب ورود

.دي آيبدست م) 35 با رابطه (uRiR كنترل كننده، ي اصلي ورودتاينها

به صورت زير yRi1R ي كمكريي متغي) با معرف34 حالت رابطه (يفرم فضا

بدست مي آيد.

) نشان داده شده است. 37)، با رابطه (36نمايش فضاي حالت رابطه (

محاسبه ريبه صورت ز A , B, y حالت ي فضاي، بردار ها)37در رابطه (

شوند. يم

ي خطري غكينامي د،خروجي – ي وروددبكي في سازي با استفاده از خط •)DGشود كه ي شود. فرض مي مفي) توص37 شده (ي) ها، با رابطه خط

با هم تبادل اطالعات ي مخابراتنكي لكي) ها با DG شبكه، (زي ريعامل ها باشد. هدف ي مyRoR ي خروجي شبكه، دارزي مرجع عوامل راي دري كنند. ليم

هر ي براي باشد به عبارتي مدري واحد ها با لگري دي همگام سازيكنترل .yRiR→yRoR: مي داشته باشمي خواهيعامل م

پراكنده عي مرجع منابع توزنكهي فوق، با علم به اي تحقق هدف كنترلي برابراين با واسطه، در ارتباط است (فرض اي مي با واحد ها به طور مستقدري لاي

)25(

)26(

)27(

)28(

)29(

)30(

)31(

)32(

)33(

)34(

)35(

)36(

)37(


7

خطا يابي رداستراتژي) از باشد شبكه پوشا زي گراف متناظر ري كه داست انحراف انگري تابع خطا كه بفي صورت كه با تعرني شود. بدياستفاده م

واحد ني است، اختالف ولتاژ ب و مقدار مرجع واحد ها از هميولتاژ خروج ولتاژ واحد ني شبكه ممكن است بزي شود. در ري منهيها از هم و مرجع كم

حال ممكن است ولتاژ واحد ها از نيها اختالف وجود داشته باشد و در ع في تعري تابع خطا طوريستي باني انحراف داشته باشند. بنابراyRoRمرجع خود،

ابي رديشود كه دو موضوع مذكور در آن لحاظ شود. در روش مشاركت. دي آي) بدست م38 با رابطه (e شده تابع خطا، شنهاديپ

) ترم اول، اثر اختالف خروجي واحد ها از 38 در رابطه (

هم را در نظر مي گيرد و ترم دوم، اثر اختالف خروجي eواحد ها با مقدار مرجع را لحاظ مي كند. بنابراين با صفر شده تابع خطا،

بين خروجي واحدها انسجام و به اصالح سنكرونيزاسيون بر قرار مي همشود و هم واحد ها، با واحد ليدر همگام مي شوند. به همين دليل به اين روش، روش كنترلي همگام سازي ردياب خطا اطالق مي شود. در رابطه

)38 ،(gRiR ضريب واحد متصل به ليدر مي باشد و براي هر واحدi متصل به

. مي باشدgRi R= 1 ليدر،

بصورت زير مرتب مي شود. واحدNشامل گراف ي دكي براي) 38رابطه (]31 .[

تحقق كنترل كننده ولتاژ و فركانس .3.4

.با رابطه زير بدست مي آيد، vRiR متغيير كمكي [35]از مرجع

. در همان مرجع استدبكي فيبردار كنترل و جي بهره تزو ) ارائه شده است.42) و (41، معادله(Kبراي استخراج پارامتر

شهي هميكتايجواب PR1R) كه به رابطه ريكاتي مشهور است. 42در رابطه (

است.ي) كنترلARE (ي جبريكاتيمثبت معادله ر

: ساختار كنترلي ثانويه ولتاژ6شكل

تنها محدوديت متصور ، (كه در cهمچنين براي اتخاذ پارامتر

آن است) برقرار است. مم همان مقادير ويژه

ماتريس الپالسين دي گراف متناظر ريز شبكه مي باشد. شرط فوق از قضيه

لياپايانف و جهت پايداري متغيير تحت كنترل مشتق شده است. با

خروجي استراتژي كنترل –توضيحات ارائه شده و عنايت به اينكه ورودي

ولتاژ به صورت زير است.

) بدست مي آيد. 6ساختار كنترلي كنترل ثانويه ولتاژ مطابق شكل (

همچنين با يك استدالل مشابه براي كنترل ردياب خطاي فركانس، تابع خطا

.[25]) نمايش داده مي شود43) استخراج شده و با رابطه (38از رابطه (

)، اختالف فركانس واحد ها با هم و 43 تابع خطاي نمايش داده با رابطه (

مقدار مرجع را نشان مي دهد. با فرض اينكه مقادير اوليه فركانس در يك

محدوده معقول قرار دارند. مقدار تابع خطا تحت تاثير تغييرات فركانس

واحد ها خواهد بود. با عنايت به اينكه آهنگ تغييرات فركانس يك واحد،

مشتق فركانس آن واحد مي باشد، تابع خطاي فركانس يك ريز شبكه با

. [25]مشتق فركانس آن متناسب خواهد بود بنابراين داريم

واحد بصورت زير مرتب مي شود. N) براي44رابطه (

)39(

)40(

)42(

)41(

)43(

)44(

)45(

)38(


8

: ساختار كنترلي كنترل كننده ثانويه فركانس7شكل

پارامتر كنترل كننده cRω Rمتغير كنترلي فركانس و )،45در رابطه (

فركانس مي باشد. در ساختار دروپ كنترلر بين توان توليدي و توان ماكزيمم

) برقرار است.46رابطه (

از طرفي هر واحد كنترلي ريز شبكه داراي محدوديت توليد توان است

، از رنج مجاز Pبنابراين نياز داريم توان اكتيو توليدي واحد ها

براي حل ) 46تجاوز نكنند. با استفاده از رابطه (PRminR<P<PRMAX Rتوليدي

اين مشكل تابع خطاي توان بصورت زير ارائه مي شود.

ازطرفي با استدالل مشابه تابع خطاي توان با مشتق فركانس متناسب خواهد

بود.

توان اكتيو pRi R دروپ كنترلر و p-fضريب مشخصه mRpi Rدر روابط باال

واحد ها مي باشد. با مفاهيم ارائه پارامتر كنترل كننده توان cRpRتوليدي و

شده فوق ساختار كنترلي كنترل كننده ثانويه فركانس مطابق با شكل

) بدست مي آيد.7(

شبيه سازي .4

: ساختار ريز شبكه تست 8شكل

شبكه تست .4.1 شبكه تست كه در زي شده از رشنهادي روش پلي تحلهي تجزيبرا

زيرفرض مي شود شود. ي) نشان داده شده است، استفاده م8شكل(

4. شبكه تست مذكور شامل قرار دارد ي ارهي جزيشبكه در مد كار

) متصل DG پراكنده (دي منبع تولكي ني باشد. به هر چهار شي منيش

كي واسط مبدل الكترونا است كه واحد ها بنيشده است. فرض بر ا

شوند. ي شبكه متصل مزيقدرت به ر

باشد. دو ي مذكور مني ش4 اني واسط تبادل توان مي خط ارتباط سه

ي) متصل هستند. برا3) و (1 شماره (ي هاني به شزي نكيبار استات

% 20)، 2 (ني بار متصل شده به شt = 1s فوق در ي روش كنترليبررس

ي انجام مدي و اضافه شدن بار جدي زندي كار با كلني. اابدي ي مشيافزا

كنترل ، t = 1.5 s رود كه فركانس و ولتاژ افت كنند. در يشود. انتظار م

شبكه با حضور كنترل زي رفتار ري. با بررسكننده وارد مدار مي شود

ي شود. پارامتر هاي داده مشي روش فوق نماي هاتيكننده مذكور، قابل

) نشان داده شده است. 2 شبكه مذكور در جدول (زير

ساختار ارتباطي .4.2 نمايش) 9)، در شكل (8 شبكه نشان داده در شكل (زي گراف ريد

ي) م1 واحد (در،ي شود عامل ليداده شده است. همانطور كه مشاهده م

)46(

)47(

)48(


9

مرجع با تعامل گنالي سمي مستقافتي با دردري)، ل8باشد. مطابق شكل ( ي دي كند. براي با واسطه آن ها را رهنمون ماي مي واحد ها مستقگريبا د

و D جهت دار به سمت گره، ي لبه هاسي)، ماتر9 شكل (گراف زير بدست مي آيد.بصورتA گراف، ي مشاركت دسيماتر

، C پارامتر محاسبهي برا كه گرافي، دL+G سي ماترژهي وريمقاد

. دي آي بدست مري كنترل كننده الزم است بصورت زبيضر

Eigenvalue (L+G) = 1,1,1,1,1 = min(real( )) = 1

داريم. cبنابراين براي پارامتر

تنظيم پارامتر هاي كنترل كننده .4.3 يبرااز قبل مي دانيم انتخاب شده است. C = 4 انجام شده ي سازهيدر شب

شود.ي استفاده ميكاتي از حل معادله رKمحاسبه بردار

به K در نظر گرفته شوند،ري بصورت زR و Q بردار نكهي فرض ابا

. گرددي محاسبه مريصورت ز

.

در شبيه سازي انجام شده فوق مقادير مرجع بصورت زير در نظر گرفته شده و VRrefR = 380 vاند.

در نظر و همچنين پارامتر كنترل كننده فركانس، گرفته شده اند.

: ولتاژ موثر و فركانس چهار واحد در مقايسه با هم10شكل

نتايج شبيه سازي .5

ولتاژ مقدارموثر و فركانس كنترل كننده ريتاث .5.1 رود كنترل كننده باعث كاهش ي انتظار م،ي با توجه به هدف كنترل

ولتاژ واحد ونيزاسيانحراف ولتاژ واحد ها از مقدار رفرنس و حفظ سنكرون مقدار موثر ولتاژ شبكه تست، زي ري سازهي) پاسخ شب10در شكل ( ها شود.همانطور كه در شكل ) نشان داده شده است. t- vrmsRa R زمان (برحسب

ولتاژ واحد ها با هم مقادير موثر ،در بازه اولالف و ب) ديده مي شود -10( vrmsRaR، 1 واحد دامنه ولتاژ مثال ي دارند براي اسهيمقااختالف قابل

(DGR1R)=380.2v 4و واحد ،vrmsRaR (DGR3R)=365.8vباشد عالوه ي م =vrmsR refR، از مقدار ولتاژ مرجع 3بر اختالف ولتاژ واحد ها ، ولتاژ واحد

380v ،16 vي موضوع كه در حالت دائمني به اتي اختالف دارد با عنا تي امنهي ، حاشv 19 باشد ي% م5 ولتاژ از مقدار مرجع، جاز انحراف مزانيم

كم بود و هر آن احتمال دارد ولتاژ واحد مذبور اريولتاژ واحد چهارم بس كند. ي قابل اجتناب در شبكه از محدوده مجار تخطري حوادث غريتحت تاث

وي توان راكتازي نشي به علت افزاديجد دوم با به مدار آمدن باريدر بازه زمان v 353 و v 344 تا 4و1 ي ولتاژ واحد هاري مقادو،ي راكتنيبدون پشتوانه تام

ولتاژ واحد ها اختالف وجود داشته و ني بي بازه زمانني. در اابدي يكاهش ممدار آمدن سوم با بهي وجود ندارد. در بازه زمانونيزاسيبه اصطالح سنكرون

381و v 379 در بي به ترت4و1 ي موثر ولتاژ واحد هاريادكنترل كننده مق شود فاصله خطوط ولتاژ موثر واحد ي شود همانطور كه مشاهده مي متيتثب

ها به سمت مقدار مرجع

ريز شبكه تست : دي گراف متناظر با ساختار كنترل غير متمركز9شكل


10

: تغييرات توان اكتيووراكتيو ريز شبكه تست، در شكل الف،توان اكتيو 11شكل

و در شكل ب، توان راكتيوچهار واحد با هم مقايسه ونمايش داده شده اند.

vrms (ref)=380v همگرا شده و كنترل كننده باعث ولتاژ دي جدري شبكه شده است. مقادزي ري ولتاژ واحدهاونيزاسيسنكرون

باال ستمي ولتاژ ستي امنهي بوده و حاشكي به مقدار مرجع نزداريسواحد ها ببه طور مشابه همين اتفاق براي فركانس چهار واحد اتفاق مي افتد رود. يم

منابع ويراكتاكتيو و توان الني سمي تنظهي فوق برپاي كنترلياستراتژدر واقع در يدي تولي واحد هاويراكتاكتيو و توان راتيي پراكنده بوده و تغديتول

) 10 نمايش يافته در شكل ( ي پاسخ ولتاژ خروجتي) و در نها11شكل (بهبود جهي در نتآن ها تيمن اهي و حاش و فركانس بهبود پاسخ ولتاژديمو ي موي راكت اكتيو و توانمي و تنظتيري با مدستمي س و فركانس ولتاژيداريپا

باشد

ولتاژ بر شكل موج كنترل كننده ريتاث .5.2دو نوع بزرگنمايي از ، شامل)12 شكل (، تاثير كنترل كننده ي بررسيبرا

ارائه شده است. بدين صورت كه بزرگ نمايي 4 و 1شكل موج واحد هاي هاي انجام شده در شكل هاي (الف) و (ب) تغييرات دامنه ولتاژ و شكل

دوم به سوم ي شبكه از بازه زمانزي از لحظه گذار ركلي سه سهاي (ج) و (د)به نمايش مي گذارد. را

در بازه ، شوديمشاهده م واحد هاي دامنه خروجسهي مقاباهمانطور كه مي v 536 ،v 524 و چهارم به ترتيب،،اولولتاژ واحد امنه د زماني اول

و v 505 ري تا مقادبي به ترت4 و 1 يواحد ها . در بازه دوم ولتاژباشند486 v در بازه سوم با به مدار آمدن كنترل كننده، همچنين. ابدي يكاهش م

). VLRrefR=537.4 v شوند(ي متي تثبv 538 در بايولتاژ هر دو واحد تقر

در ي اعوجاجباي بوده و تقرينوسيدامنه شكل موج واحد ها سهمچنين ادامه به موضوع در ني اقي دقي بررسي شود براي نمدهيشكل موج ها د

.خواهد شد پرداختهي فركانس پاسخ خروجزيآنال

ي فركانس پاسخ خروجزيآنال .5.3

دامنه ي ها تي به اندازه حفظ محدودستمي در ساني ولتاژ و جرتيفيك ي% م2% و 5 بيولتاژ و فركانس (محدوده مجاز دامنه ولتاژ و فركانس به ترت

با استفاده ستمي سي پاسخ فركانسي بخش با بررسني دارد. در اتيباشد) اهمولتاژ ي فركانسزي كار آنالني اي برا پاسخ فركانسي خروجي مي پردازيم.از

داده شي) نما13 واحد ها در شكل(كي كل هارمونبيواحد ها به همراه ضر 20 كي ولتاژ (تا هارموني هاكي شكل هارموننيشده است. در ا

، در شكل هاي الف و ب 4 و 1: شكل موج ولتاژ واحد هاي 12 شكل

ثانيه انجام شده و در شكل پ 1.8 تا 0.8بزرگنمايي دامنه ولتاژ از بازه زماني

نمايش داده شده 1.56 تا 1.52و ج سه سيكل ولتاژ خروجي در بازه زماني

است


11

اول نشان داده كي مذبور نسبت به هارمونكيام) به همراه دامنه هارمون% 5 شكل موج ولتاژ ي قابل قبول براTHD نكهي به اتيشده است. با عنا

واحد ها عملكرد كنترل كننده ي ولتاژ خروجTHD ي باشد. با بررسيم در شكل THD ي بررسي شود. براي مديي مطلوب تااري بستيفيمذكور با ك

استفاده شده است. در واحد t=1.8sec در كلي سه سي) از نمونه بردار13(%و 0.24%، 0.44 با بي به ترتDC سوم، چهارم و مقدار ي هاكياول، هارمون

كي هارمونزي مقدار را دارند. به طور مشابه در واحد چهارم ننيشتري% ب0.16 نيشتري%، ب0.208و 0.21%، 0.408 ري با مقادDC سوم، چهارم و مقدار يها

) نيز پاسخ فركانسي جريان خروجي سيستم 14 در شكل (مقدار را دارند.% مي باشد كه با 0.55جريان خروجي THD نشان داده شده است، بيشترين

) 14) و (13% بسيار اختالف دارد. نتايج حاصله از شكل هاي (5مقدار مجازمويد مطلوب بودن عملكرد كنترل كننده مذبور از منظر پاسخ فركانسي مي

باشد.

نتيجه گيري .6

در اين مقاله به روش كنترلي ردياب خطا، جهت همگام سازي متغيير هاي كنترلي واحد هاي توليد پراكنده پرداخته شد. براي تحقق استراتژي

خروجي روابط سيگنال بزرگ مبدل –فوق از خطي سازي فيدبك ورودي هاي الكترونيك قدرت استفاده شده و كنترل كننده مناسب با روش لياپايانف

ارائه گرديد. نتايج شبيه سازي، مويد قابليت كنترلي اين روش در سنكرونيزاسيون ولتاژ و فركانس واحد ها با هم و واحد مرجع مي باشد. در

عين حال آناليز پاسخ فركانسي ارائه شده نشان مي دهد كه كيفيت پاسخ خروجي در حوزه فركانس نيز بسيار مطلوب است.

مراجع .7]1 [ B. Fahimi, A. Kwasinski, A. Davoudi, R. S. Balog, and M. Kiani,

“Charge it,” IEEE Power & Energy Magazine, vol. 9, pp. 54-64, July/Aug. 2011.

] 2[ M. Liserre, R. Teodorescu, and F. Blaabjerg, \Stability of photovoltaic and wind turbine grid-connected inverters for a large set of grid impedance values," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 21, no. 1, pp. 263-272, Jan. 2006.

]3 [ J. M. Guerrero, J. C. Vásquez, J. Matas, M. Castilla, L. G. D. Vicuña, and M. Castilla, “Hierarchical control of droop-controlled AC and DC

آناليز هارمونيكي جريان خروجي سيستم:13شكل : آناليز هارمونيكي ولتاژ خروجي سيستم12شكل

: پارامتر هاي منبع توليد پراكنده و كنترل كننده هاي ريز شبكه2جدول


12

microgrids—A general approachtoward standardization,”IEEE Trans.Ind. Electron., vol. 58, pp. 158–172, Jan. 2011.

]4 [ K. D. Brabandere, K. Vanthournout, J. Driesen, G. Deconinck, and R. Belmans, “Control of microgrids,” inProc. IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2007, pp. 1–7.

]5[ H. Nikkhajoei and R. H. Lasseter, “Distributed generation interface to the CERTS microgrid,” IEEE Trans. Power Del., vol. 24, pp.1598–1608, Jul. 2009.

]6 [ K. D. Brabandere, K. Vanthournout, J. Driesen, G. Deconinck, and R. Belmans, “Control of microgrids,” inProc. IEEE Power & Energy Society General Meeting, 2007, pp. 1-7.

]7 [ K. Vanthournout, K. D. Brabandere, E. Haesen, J. Driesen, G. Deconinck, and R. Belmans, “Agora: Distributed tertiary cotrol of distributed resources,” inProc. 15th Power Systems Computation Conf., 2005, pp.1–7.

]8 [ G. A. Pagani and M. Aiello, “Towards decentralization: A trpological investigation of the medium and low voltage grids,”IEEE Trans. Smart Grid, vol. 2, pp. 538–547, Sep. 2011.

]9 [ J. A. P. Lopes, C. L. Moreira, and A. G. Madureira, “Defining control strategies for microgrids islanded operation,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 21, pp. 916-924, May 2006.

]10 [ F. Katiraei, M. R. Iravani, and P. W. Lehn, “Microgrid autonomous operation during and subsequent to islanding process,” IEEE Trans. Power Del., vol. 20, pp. 248-257, Jan. 2005.

]11 [ M. Savaghebi, A. Jalilian, J. Vasquez, and J. Guerrero, “Secondary control scheme for voltage unbalance compensation in an islanded droop-controlled microgrid,” IEEE Trans. Smart Grid, vol. 3, pp. 797-807, June 2012.

]12 [ M. Savaghebi, A. Jalilian, J. Vasquez, and J. Guerrero, “Secondary control for voltage quality enhancement in microgrids,” IEEE Trans. Smart Grid, vol. 3, pp. 1893-1902, Dec. 2012.

]13 [ F. Katiraei and M. R. Iravani, “Power management strategies for a microgrid with multiple distributed generation units,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 21, pp.1821-1831, Jan. 2005.

]14 [ B. Marinescu and H. Bourles, “Robust predictive control for the flexible coordinated secondary voltage control of large scale power system,” IEEE Trans. Power Syst., vol. 14, pp. 1262-1268, Nov. 1999.

]15 [ Z. Qu, Cooperative control of dynamical systems: Applications to autonomous vehicles. New York: Springer-Verlag, 2009.

]16 [ X. Li, X. Wang, and G. Chen, “Pinning a complex dynamical network to its equilibrium,” IEEE Trans. Circuits and Systems I: Regular Papers, vol. 51, 2074–2087, Oct. 2004.

]17 [ Z. Li, Z. Duan, G. Chen, and L. Huang, “Consensus of multi-agent systems and synchronization of complex networks: a unified viewpoint,”IEEE Trans. Circuits and Systems I, vol. 57, pp. 213–224, Jan. 2010.

]18 [ A. Das and F. L. Lewis, “Distributed adaptive controlfor synchronization of unknown nonlinear networked systems,” Automatica, vol. 46, pp. 2014-2021, 2010.

]19[ N. Pogaku, M. Prodanovic, and T. C. Green, “Modeling, analysis and testing of autonomous operation of an inverter-based microgrid,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 22, pp. 613–625, March 2007.

]20[ M. N. Marwali and A. Keyhani, “Control of distributed generation systems part I: Voltage and currents control,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 19, pp. 1541–1550, Nov. 2004.

]21[ A. Keyhani, M. N. Marwali, and M. Dai, Integration of green and renewable energy in electric power systems. New Jersey: Wiley, 2010.

]22 [ J. J. E. Slotine and W. Li, Applied nonlinear control. New Jersey: Prentice-Hall, 2009.

]23[ J. W. Brewer, “Kronecker products and matrix calculus in system theory,” IEEE Trans. Circuits and Systems, vol. 25, pp. 772-781, Sept. 1978.

]24[ F. L. Lewis and V. L. Syrmos, Optimal control. New York: Wiley, 1995.

]25[ Serban, I., Marinescu, C.:‘Frequency control issues in microgrids withrenewable energy resources’. Proc. Seventh Int. Symp. on Advanced Topics in Electrical Eng., 2011, pp. 1–6

]26 [ H. Zhang, F. L. Lewis, and A. Das, “Optimal design for synchronization of cooperative systems: State feedback, observer, and output feedback,”IEEE Trans. Automatic Control, vol. 56, pp. 1948–1952, Aug. 2011.

]27 [ E. Bassi, F. Benzi, L. Lusetti, and G. S. Buja, “Communication protocols for electrical drives,” in Proc. 21st Int. Conf. Industrial Electronics (IECON), 1995, pp. 706–711.

]28 [ R. K. Ahuja, T. L. Magnanti, and J. B. Orlin, Network flows: theory, algorithms, and applications. Englewood Cliffs: Prentice Hall: 1993.

]29[ R. Burkard, M. Dell’Amico, and S. Martello, Assignment Problems. Philadelphia: SIAM: 2009

[30] Ali Bidram, , Ali Davoudi, Frank L. Lewis,and, Josep M. Guerrero, “Distributed Cooperative Secondary Control of Microgrids Using Feedback Linearization,” IEEE Transactions on Power Systems, vol. 28, pp. 3462–3470, Aug. 2013.

معادل فارسي واژه انگليسي

Cooperative مشاركتي - تعاوني

Feedback Linearization خطي سازي

secondary control كنترل ثانويه

multi-agent چند عامله

synchronization همگام سازي–هماهنگ سازي

leader رهبر

non-identical نا مشابه

nonlinear غير خطي

swarming in insects شدن حشرات يتوده ا

flocking in birds شدن پرندگان يگروه

phase transitions گذار فاز

heterogeneous غير همگن

large-signal سيگنال بزرگ

directed graph گراف جهت دار

adjacency matrix مجاورت سيماتر

Documents

ﻝﺮﺘﻨﻛ ﻱﮋﺗﺍﺮﺘﺳﺍ ﺎﺑ ﺎﻫ ﻪﻜﺒﺷ ﺰﻳﺭ …psc-ir.com/cd/2014/papers/1916.pdfﻲﺟﻭﺮﺧ-ﻱﺩﻭﺭﻭ ﻚﺑﺪﻴﻓ ﻱﺯﺎﺳ ﻲﻄﺧ