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 برداری[۹۵] 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 برقی[۹۶]، خودرو برقی-زیستی[۹۷]، کشتی‌ها و سیستم HVDC اشاره کرد[[۹۸]].
برای دانلود متن کامل پایان نامه به سایت fotka.ir مراجعه نمایید.
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 آن ها 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 (PFC[99]) کنند (شکل ۱۶). که خود هزینه بالایی را با توجه به گسترش روز افزون بارهای الکترونیکی ایجاد خواهند نمود.
شکل ۱۶ 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. [[۱۰۰] و [۱۰۱]]
استفاده از خطوط ولتاژ پایین DC برای سیستم‌های خورشیدی و پیل سوختی که ولتاژ DC تولید می‌کنند بسیار مناسب است. زیرا با بهره گرفتن از یک مبدل ارزان DC/DC می‌توانند به شبکه توزیع DC متصل شوند. باتری‌ها نیز می‌توانند بدون هیچ واسطی به سیستم DC متصل شوند [[۱۰۲]]. 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. [[۱۰۳],[۱۰۴]]
در مقاله [[۱۰۵]] به یک شبکه DC اشاره شده است که توانی در حدود ۱۰KW 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 [۱۰۶]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 بهره گرفتن 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 مخابراتی[۱۰۷] 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 بهره گرفتن 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 [,[۱۰۸],[۱۰۹][۱۱۰]].
تحقیقات انجام شده بر روی ریزشبکه‌ها
از زمانی که ریزشبکه‌ها وارد سیستم توزیع برق شده‌اند، تحقیقات متفاوتی بر روی آن ها انجام شده است. البته می‌توان این تحقیقات را به صورت زیر دسته‌بندی نمود:
الف- کنترل ریزشبکه: قبلا توضیح داده شده است.
ب- ساختار ریزشبکه: در فصل سوم توضیح داده خواهد شد.
ج- پایداری: خصوصیتی از سیستم قدرت که آنرا قادر می‌سازد حتی پس از وقوع اغتشاش در شرایط متعادل به کار خود ادامه دهد. اما پایداری ریزشبکه‌ها با سیستم قدرت متفاوت بوده و این تفاوت از اینرسی منابع این دو شبکه منشا می‌شود. در ریزشبکه‌ها از ذخیره‌سازها برای بهبود پایایی ریزشبکه استفاده می‌شود. در ریزشبکه‌ها به طور معمول سه نوع پایداری گذرا، سیکنال کوچک و ولتاژ مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
د- حفاظت: سیستم حفاظتی ریزشبکه باید قابلیت جداسازی ریزشبکه از شبکه اصلی را در مواقع رخداد خطارا داشته باشد. با گسترشمنابع تولید پراکنده منطق حفاظتی در شبکه تغییر کرده است. بنابراین تنظیم قدیمی رله‌هابه درد حفاظت سیستم جدید نمی‌خورند.استفاده از منابعی که با مبدل به ریزشبکه متصل می‌شوند، حفاظت ریزشبکه را مخصوصا در حالت جزیره‌ای که سطوح اتصال کوتاه تغییر می‌کنند با مشکلات فراوانی مواجه کرده است. از طرف دیگر به علت تغییر شارش توان در ریزشبکه، تنظیم رله‌ها نیز باید تغییر کنند.تحقیقات بیشتر به سمت حفاظت تطبیقی[۱۱۱]در ریزشبکه‌ها رفته است. در این روش داده‌های رله‌ها به صورت پریودیک کنترل و تنظیم می‌شوند[[۱۱۲]].
ه- تشخیص قطع شدن از شبکه: اتصال و قطع ریزشبکه از شبکه توزیع از اهمیت بالایی برخوردار است. چون در اکثر اوقات در حال دریافت یا تزریق توان به شبکه اصلی است، اشتباه در این کار موجب نامتعادلی در شبکه خواهد شد. در بازه زمانی قطع، با کنترل ذخیره‌سازها انرژی ولتاژ و فرکانس ریزشبکه حفظ می‌شود. در زمان اتصال هم دامنه و فاز بودن ولتاژ دو شبکه از اهمیت بالایی برخوردار است.
و- بهره‌برداری اقتصادی: بهره‌برداری نیز از اهمیت بالایی برخوردار است. با اجرای خصوصی‌سازی و تجدیدساختار شبکه قدرت، روند بهره‌برداری از ریزشبکه‌ها نیز دستخوش تغییر نموده است. زیرا طریقه بهره‌برداری همواره بر اساس مسائل اقتصادی صورت خواهد پذیرفت. در این شرایط کنترل ریزشبکه نیز بر اساس این مبانی انجام می‌پذیرد.
روش‌های کنترلی ریزشبکه‌ها
با توجه به اهمیت وجود ریزشبکه‌ها، در این بخش روش‌های کنترلی ریزشبکه، مورد مطالعه قرار گرفته است. به طور کلی ریزشبکه‌ها در دو حالت مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند.
۱- متصل به شبکه: در این حالت ریزشبکه به شبکه توزیع به منظور تامین برق مورد نیاز خود یا برای تزریق توان به شبکه توزیع متصل می‌باشد.
۲-جدا از شبکه: در این حالت ریزشبکه به شبکه توزیع متصل نبوده و بصورت مستقل مورد بهره‌برداری قرار گرفته و مانند یک جزیره[۱۱۳] مستقل و بی‌ارتباط با خارج عمل می‌کند. معمولا به علت خطا یا قطعی‌ها ریزشبکه به حالت ایزوله در خواهد آمد [[۱۱۴]].
در حالت متصل به شبکه، ریزشبکه با اهداف گوناگونی از جمله کنترل ولتاژ، فرکانس، بهبود کیفیت توان تحویلی به مصرف‌کنندگان و یا به عنوان یک خدمات جانبی کنترل می‌شود[[۱۱۵]،[۱۱۶]]. فرکانس در شبکه‌های سنتی توسط نیروگاه‌های بزرگ و ولتاژ توسط ترانسفورماتورهای دارای تپ تنظیم می‌شوند. اما در حالت جزیره‌ای این تنظیم کار دشواری است. برای کنترل فرکانس از توان اکتیو منابع، حذف بار[۱۱۷] و برای کنترل ولتاژ و بهبود کیفیت توان از توان اکتیو و راکتیو منابع استفاده می‌شود [[۱۱۸]].
به علت محدود بودنژنراتورهای سنکرون در ریزشبکه، از این منابع برای کنترل ولتاژ و فرکانس نمی‌توان استفاده کرد. در این شرایط وظیفه کنترل ولتاژ و فرکانس شبکه برعهده منابع تولید پراکنده است. بنابراین باید از ساختارهای کنترلی متفاوتی نسبت به سیستم سنتی، استفاده نمود.
انوع سیستم کنترلی ریزشبکه‌ها به صورت زیر قابل دسته‌بندی هستند:
کنترل متمرکز
کنترل غیرمتمرکز
کنترل سلسه مراتبی
کنترل چند عامله
کنترل بر اساس روش‌های کنترل بهینه و الگوریتم‌های بهینه‌سازی
کنترل متمرکز
در روش متمرکز المان‌های زیردست فرمان‌های کنترلی را از المان بالا دستی دریافت می‌کنند. دو روش برای کنترل در این ساختار توسعه داده شده است. در روش اول، یکی از منابع ریزشبکه کنترل منابع دیگر را بر عهده می‌گیرد. در روش دوم کنترل مرکزی ریزشبکه ([۱۱۹]MGCC) این کار را بر عهده می‌گیرد. این کنترل با توجه به ولتاژ و فرکانس، تنظیمات تمامی منابع را می‌تواند تغییر دهد. روش‌های چند عامله نیز در زیرمجموعه همین کنترل مرکزی قرار می‌گیرند[[۱۲۰]،[۱۲۱]].
در حال حاضر ریز شبکه‌ها به صورت مرکزی کنترل می‌شوند که این کنترل در نقطه اتصال به شبکه توزیع قرار گرفته است. کنترلر مرکزی ریزشبکه چندین هدف مهم را به طور همزمان دنبال می‌کند، مانند مدیریت اقتصادی ریزشبکه، تامین بار شبکه در سطح ولتاژ معین، کنترل فرکانس و… را بر عهده دارد. در این روش کنترلی، سطوح کنترل دیگری نیز وجود دارند که شامل کنترلر بارها (LC[122]) (مجموعه بارها) و کنترلر منابع پراکنده (MC[123]) است. کنترلرهای نصب شده در این دو وضعیت به تبادل اطلاعات با مدیریت مرکزی ریزشبکه می‌پردازند. بدین ترتیب کنترلر مرکزی ریزشبکه، عملکرد ریزشبکه را مدیریت می‌کند. برنامه‌های کنترل بار بیشتر به صورت حذف بار[۱۲۴] بوده و کنترلرهای منابع تولید پراکنده به کنترل توان اکتیو و راکتیو می‌پردازند. (شکل ۱۷)
شکل ۱۷ منطق کنترلی مرکزی
روش‌های کنترل ریزشبکه در حالت جزیره‌ای
جزیره‌ای شدن ریزشبکه به علت وقایع غیر برنامه‌ریزی شده مثل خطاها یا وقایع برنامه‌ریزی شده مانند تعمیر و نگهداری روی می‌دهد. در شرایط جزیره‌ای برای کنترل فرکانس و ولتاژ باید از مبدل‌ها بهره جست. در حالی که ریزشبکه به شبکه توزیع متصل است مبدل‌های منابع تولید پراکنده به صورت PQ کنترل می‌شوند زیرا شبکه توزیع به عنوان مرجع فرکانس و ولتاژ عمل می‌کند. اما در حالت جزیره‌ای که شبکه توزیع وجود ندارد، با تغییر پارامترها و بهینه‌سازی کنترل مبدل‌ها، این تغییر شرایط پوشش داده می‌شود. دو روش زیر برای کنترل در حالت جزیره‌ای استفاده می‌شود:
بهره‌برداری تک قطبی(SMO[125])
بهره‌برداری چند قطبی(MMO[126])
الف- بهره‌برداری تک قطبی
در این روش از مبدل VSI برای کنترل ولتاژ و فرکانس در هنگام قطعی و ایجاد اشکال استفاده می‌شود. باقی مبدل‌ها به صورت PQ عمل کرده و داده‌های تنظیم خود را از MGCC دریافت خواهند کرد (شکل ۱۸).
شکل ۱۸ کنترل ریزشبکه به صورت SMO
ب- بهره‌برداری چند قطبی
در این ساختار چند مبدل به صورت VSI بعنوان مرجع فرکانس و توان راکتیو انجام وظیفه می‌کنند. این مبدل‌ها می‌توانند به منابع ذخیره انرژی (مانند باطری‌ها و چرخ‌های طیار) یا منابع تولید پراکنده متصل شوند. این مبدل با توجه به فرکانس شبکه توان اکتیو خروجی خود را تنظیم می‌کند. در زمان انحراف فرکانس، ذخیره‌سازهای انرژی درحالت جذب یا تزریق توان اکتیو قرار گرفته تا تغییرات فرکانس را به صفر برسانند. با توجه به انرژی محدود این ذخیره‌سازها، کنترل فرکانس با آن ها تنها در مدت زمان محدودی امکان‌پذیر خواهد بود. مبدل‌هاPQ مانند حالت قبل به کار خود ادامه داده و کنترل مرکزی MGCC با تغییر مشخصات، پارامترها و تعریف نقاط جدید کار، کنترل هر چه بهتری بر روی ریزشبکه انجام خواهد دهد (شکل ۱۹).
