فهرست مطالب

عنوان                                                                                               صفحه

فصل اول:تولیدات پراکنده و مفهوم میکرو شبکه

1-1-مقدمه................................................................................................................................... 2

1-2-مفهوم میکروشبکه ............................................................................................................ 3

1-2-1- پیکر بندی واحد کنترل توان..................................................................................... 8

1-2-2-پیکربندی کنترل جریان فیدر .................................................................................... 8

1-2-3- پیکربندی کنترل در هم آمیخته .............................................................................. 8

1-3- سود فنی و اقتصادی میکرو شبکه.................................................................................. 12

1-3-1- کنترل............................................................................................................................ 12

1-3-2- موقعیت بهینه برای تولید موازی گرم کننده /خنک کننده................................... 13

1-4-تکنولوژی های تولید پدید آمده ...................................................................................... 18

فصل دوممنابع انرژی تولید پراکنده

2-1- مقدمه................................................................................................................................. 20

2-2-دلایل توجه به منابع پراکنده .......................................................................................... 20

فصل سوممدیریت توان در میکروشبکه ها

3-1- مقدمه................................................................................................................................. 26

3-2- سیستم های مدیریت شبکه توزیع اکتیو و میکروشبکه............................................... 28

3-3-مدیریت شبکه نیاز میکروشبکه ....................................................................................... 28

3-3-1- کنترل تولید میکرومنابع ............................................................................................ 29

3-3-2- کنترل پروسه داخلی .................................................................................................. 30

3-3-3-ذخیره ی انرژی ............................................................................................................ 31

3-3-4-تنطیم بار های تغییر کننده ........................................................................................ 32

3-3-5-سرویس های کمکی و فرعی ...................................................................................... 33

3-4-طرح های کنترل DG........................................................................................................ 34

3-5-کنترلر میکرومنبع ............................................................................................................. 37

3-5-1- کنترل توان اکتیو و ری اکتیو ................................................................................... 39

3-5-2-کنترل ولتاژ ................................................................................................................... 39

3-5-3- نیاز های ذخیره کردن برای دنبال کردن سریع بار ............................................... 40

3-5-4- شرکت در بارگذاری از طریق کنترل P-F................................................................. 41

3-6- کنترلر مرکزی .................................................................................................................. 44

3-6-1- توابع کنترل میکرومنابع اصلی.................................................................................... 45

3-6-2-عملکرد EMM در میکروشبکه معمولی..................................................................... 46

3-6-3-کنترل بار های حرارتی ................................................................................................ 47

3-6-4-بهینه سازی انرژی با حداکثر بازده ............................................................................ 47

3-6-5-مدیریت ذخیره ی انرژی............................................................................................... 48

3-6-6- توابع کنترل انتخابی برای EMM هوشمند............................................................. 48

3-6-7-اطلاعات مورد نیاز برای عملکرد کنترلر مرکزی ....................................................... 49

3-6-8- کارایی میکرومنبع و مانیتورینگ................................................................................. 49

3-6-9-پیش بینی آب و هوا .................................................................................................... 50

3-6-10-پیش بینی های بار .................................................................................................... 50

3-6-11- خدمات نا همگن........................................................................................................ 51

3-6-12-استراتژی کنترل برای طراحی کنترلر مرکزی........................................................ 53

3-6-13-بهینه سازی در زمان واقعی ...................................................................................... 53

3-6-14-سیستم های هوشمند................................................................................................. 54

3-6-15-کنترل سلسله مراتبی و غیر متمرکز ....................................................................... 55

3-7-عملکرد جدا سازی و کمک برای BLACK START................................................... 55

3-7-1-کنترل فرکانس و جاری کردن بار............................................................................... 56

3-7-2-کارکرد های BLACK START................................................................................. 56

3-8- هماهنگ کردن حفاظت و زمین کردن.......................................................................... 57

فصل چهارممبدل های الکترونیک قدرت و مدارات کنترل

4-1- مقدمه................................................................................................................................. 60

4-2-IGBT ها............................................................................................................................. 61

4-3-اینورتر های سه فاز ........................................................................................................... 65

4-4-مدل اتصال اینورتر های منابع DG................................................................................... 70

4-5-آنالیز دینامیک.................................................................................................................... 72

4-6-متصل به شبکه شدن ....................................................................................................... 73

4-7- عملکرد ایزوله شده .......................................................................................................... 75

نتیجه............................................................................................................................................. 76

نتیجه گیری.................................................................................................................................. 77

فهرست اشکال

عنوان                                                                                          صفحه

شکل 1-1- انواع ژنراتورها.......................................................................................................... 3

شکل1-2- شمای کلی میکرو شبکه......................................................................................... 5

شکل1-3- نوعی از معماری میکرو شبکه................................................................................. 6

شکل 1-4- دیاگرام ساختمان میکرو شبکه............................................................................. 7

شکل 1-5- میکرو شبکه با چندین میکرو منبع،.................................................................... 9

شکل 1-6- از فروش پیشنهاد شده مکاتبه شده بین میکرو تابع.......................................... 16

شکل 1-7- شامل قیمت فروش پیشنهاد شده به وسیلهMGCC......................................... 16

شکل 2-1- میکرو توربین تک شفت........................................................................................ 23

شکل 2-2- ساختار سلول سوختی............................................................................................ 24

شکل2-3- توربین بادی با تنظیم درجه سرعت متغی........................................................... 24

شکل 3-1- کنترل خروجی توان اکتیو برای نگه داشتن ولتاژ خازن لینک DC............. 34

شکل 3-2- کنترل ولتاژ و افت فرکانس................................................................................... 35

شکل3-3- مشخصه عمومی افت برای کنترل ولتاژ و فرکانس.............................................. 35

شکل 3-4- حلقه های فرکانس ثانویه...................................................................................... 36

شکل 3-5- مشخصه عمومی افت برای کنترل ولتاژ و فرکانس............................................. 36

شکل 3-6- کنترل افت معکوس فرکانس................................................................................. 36

شکل 3-7- کنترل میکرو منابع................................................................................................. 37

شکل 3-8- منحنی افت برای کنترلر افت v-f........................................................................ 40

شکل 3-9- توان اکتیو در مقابل افت فرکانس........................................................................ 41

شکل 3-10- مشخصه افت فرکانس بر اساس توان اکتیو...................................................... 42

شکل 3-11- پیکر بندی میکرو شبکه با دو منبع................................................................... 43

شکل 3-12-جریان فیدر در مقابل افت فرکانس.................................................................... 44

شکل 4-1- نماد IGBT (الف)................................................................................................... 62

شکل 4-2- نماد IGBT (ب)..................................................................................................... 62

شکل 4-3- ساختارIGBTها....................................................................................................... 63

شکل4-4- طرح........................................................................................................................... 66

شکل 4-5-اینورتر سه فاز تشکیل شده از سه اینورتر تک فاز............................................... 66

شکل 4-6-مدار............................................................................................................................ 67

شکل 4-7- شکل موج ها برای هدایت 180 درجه ای اینورتر سه فاز................................. 68

شکل4-8- بار اتصال مثلث/ستاره............................................................................................... 68

شکل 4-9- مدارهای معادل........................................................................................................ 68

شکل 4-10- ولتاژهای فاز برای هدایت 180 درجه ای......................................................... 68

شکل 4-11- اینورتر سه فاز با بار RL...................................................................................... 69

شکل 4-12- اتصال اینورتر به سیستم تولید........................................................................... 70

شکل 4-13- بخش کنترل P-Q............................................................................................... 70

شکل 4-14- بخش کنترل V-f................................................................................................. 72

شکل 4-15- شبکه مورد مطالعه............................................................................................... 73

شکل 4-16-rms ولتاژ و جریان در ترمینال ژنراتور در طی رخداد یک فرونشست............ 74

شکل4-17- در جریان ترمینال اینورترac در طی رخداد خطاهای سه فاز در شبکه......... 74

چکیده

پروژه ی میکرو شبکه یک تکنولوژی جدید است که اولین بار در سال 2003 در سیستم قدرت کشور پرتقال استفاده شده است . میکرو شبکه سیستمی است که قادر به کنترل توان ، ولتاژ و فرکانس خودش جدا از شبکه اصلی است. میکرو شبکه مدل کوچک شده یک شبکه برق سراسری یک کشور است که در سطح شهر و روستا استفاده می شود و به شبکه برق سراسری متصل می شود . این سیستم توسط یک سوئیچ به شبکه اصلی وصل می شود و این قابلیت را دارد که اگر در شبکه اصلی به هر دلیلی مشکلی پیش بیاید از شکه اصلی جدا شده و خودش به عنوان یک سیستم مستقل به بارهایش خدمات ارائه دهد. و چون باعث بی برق نماندن بار ها می شود باعث بالا رفتن ضریب اطمینان شبکه می شود . امید آن می رود که این سیستم در آینده ی نزدیک این سیستم جایگزین سیستم های برق سراسری و امروزی شود و موجب وارد شدن شرکت های خصوصی به عرصه ی تولید برق در هر سطحی بشود. ما در این پروژه ابتدا سیستم میکرو شبکه و چگونگی مدیریت آن را توضیح داده و بطور مختصر سیستم های تولید کننده پراکنده را معرفی و توابع کنترلی اعمال شده بر روی مبدل های تولیدات پراکنده برای اتصال به میکرو شبکه را بررسی خواهیم کرد.

فصل اول

تولیدات پراکنده و مفهوم میکرو شبکه

1-1-مقدمه

در 20 سال گذشته صنعت سیستم قدرت شاهد تغییرات مهم در مورد عملکرد متمرکز مرسوم به عنوان نتیجه مجتمع سازی در مقیاس بزرگ تولیدات پراکنده (¹DG) هر کدام در سطوح توزیع ²MV یا ³LV است. در سال های گذشته این تغییرات زیاد قابل درک اساس ناشی از ارتباط مقدار زیاد منابع تولید در سطح MV شده اند. در این سال ها این سناریو به سمت اتفاق افتادن در شبکه LV از میان اتصالات داخلی مدار کوچک منابع تولید می رود که یک نوع جدید از سیستم قدرت MICROGRAID را شکل می دهد. میکرو شبکه ها می توانند به شبکه برق اصلی متصل شوند یا اگر آنها از شبکه قدرت در یک روش مشابه برای سیستم قدرت جزیره های طبیعی جدا شوند بصورت مستفل عمل کنند.

تولید پراکنده (DG) شال دسته ی بزرگی از عمده تکنولوژی های متحرک شامل موتور های خود احتراق (⁴IC) ، توربین های گاز ، میکروتوربین ها ، فوتو ولتائیک ، سلول های سوختی و انرژی بادی است.

وابسته به منابع انرژی اولیه استفاده شده ، در اندازه ی میکروژنراتور ها و در نوع ارتباط توان این میکرومنابع می توانند به عنوان غیر قابل کنترل ف بخشی قابل کنترل ( مثلا منابع تجدید پذیر که فقط میتوانند خروجی را کم کنند ) و قامبل کنترل ( مثلا واحد های تولید موازی کوچک و واحد های ذخیره کننده ) مطرح شده باشند. برای سودمندی میکروشبکه می تواند به عنوان انرژی ذخیره شده ی کنترل شده سیستم توان تصور کرد. این می تواند برای مشتری برای اینکه نیاز های ویژه خودش را ببیند طراحی شود و فوائد بیشتر مانند اصلاح کیفیت توان و قابلیت اطمینان ، بازدهی افزایش داده شده از میان تولید موازی و پشتیبانی ولتاژ محلی را فراهم کند.

اینم سناریو جدید از عملکرد نیازمند پیشرفت تحقیقات عملی در چندین سطح برای بهه بردن از ظرفیت های وسایل تولید ارائه شده و استراتژی کار آمد توسعه یافته برای مدیریت میکروشبکه ها دارد. در میان موضوعات دیگر این موضوع شامل رفتار یا مدلسازی میکرومنابع الکتریکی ، آنالیز پیچیده موثر سیستم قدرت LV ، کنترل مونیتورینگ کیفیت توان و قابلیت اطمینان شبکه ، هماهنگی حفاظت و ایمنی کارکنان ، ارتباطات، بازار الکتریکیو اقتصادی روش کار و البته تعریف جدید اتصالات داخلی است.

شکل 1-1- انواع ژنراتورها

برای ایجاد پشتیبانی برای اینده علمی و تخصصی جهان ، نیاز به این حوزه در چهار چوب پنجمین برنامه توسعه تحقیق و پیشرفت (RTD) شامل مباحث اولویت های تحقیقاتی است. پروژه میکرو شبکه با یک انجام دادن تحقیق طرح پیشنهادی بوسیله چندین موسسه و کمپانی تحقیقاتی اروپا برای حل مشکلاتی که برای مجتمع سازی تعداد زیاد میکرومنابع مختلف در شبکه های توزیع LV  وجود دارد رقابت می کنند. این پروژه تحقیقاتی میکروشبکه " مجتمع سازی در مقیاس بزرگ میکرو ژنراتور برای شبکه ولتاژ پایین – میکروشبکه ها " نامیده شده است. این پروژه در ژوئن 2003 شروع شده است 36 ماه طول کشیده است کد NNE5-2001-00463 را دارد و تحقیق بر اساس پیمان ENK5-CT-2002-00610 اداره شده است.

1-2-مفهوم میکروشبکه

در ⁵CERTS مفهوم میکروشبکه نگرش نوین برای توانا ساخت برای یکپارچه سازی ، بطور کلی اندازه ی نا محدود انرژی پراکنده منبع برای شبکه الکتریکی است. مفهوم میکروشبکه بوسیله ی دو اثل بنیادی بیان می شود :

1)      یک چشم انداز سیستمی برای خریدار ، سرویس های عمومی و جامعه برای استفاده از تمام منفعت از یکی کردن انرزی پراکنده منبع برای سیتسم انرژی است. و 2) موقعیت تجاری برای سرعت دادن پذیرش مفهوم پیشرفته ، اصولا بوسیله کاهش هزینه اولیه و افزایش تعداد میکروشبکه ها بیان می شود .

هر تغییر شامل مفهوم میکروشبکه ( یعنی ارتباط هوشمند توان الکتریکی و یک سوئیچ هوشمند برای قطع شبکه و همزمانی دوباره ) مخصوصا برای کاهش هزینه و بهبود قابلیت اطمینان کوچکترین مقیاس سیستم های تولید پراکنده ایجاد می شود ( یعنی سیتسم هایی با ظرفیت نصب شده 10 ها و 100 ها کیلو وات ). هدف از این کار سرعت بخشیدن به فهم فوائد ارائه شده بوسیله مقیاس های کوچک DG است که شامل توانایی تامین کردن حرارت تلف شده در پیک نیاز ( دوری از حرارت وسیع پراکنده شبکه ) یا ایجاد آسان بیشترین کیفیت توان برای اکثر بار ها است . از دید شبکه مفهوم میکروشبکه جذب کننده است به این دلیل که در حقیقت تشخیص می دهد که سیست پراکنده کشور وسیع ، قدیمی و به آرامی در حال تغییر است. مفهوم میکروشبکه نفوذ زیاد DG راظ بدون نیاز به طراحی دویاره یا مهندسی دوباره سیتسم توزیع خودش قادر می سازد.

در طی اختلال ، برای جدا نگه داشتن بار های میکروشبکه ها از اختلال بدون آسیب رساندن به تمامیت شبکه انتقال ، تولید و بار های متناظر می توانند بصورت مستقل ار سیستم پذاکنده جدا شوند ( و به وسیله سطح سرویس را بالا نگه داشته می شود ) . جداسازی ( ایزوله کردن ) دستی تولید و بار ها پتانسیل ایجاد قابلیت اطمینان محلی بیشتر از سیستم قدرت سراسری را دارد. سایز کوچکتر تکنولوزی های تولید پدید آمده به ژنراتور ها برای قرار گرفتن بصورت بهینه نسبت به بار های حرارتی برای استفاده از حرارت تلف شده اجازه می دهد. چنین کاربردی می تواند بیشتر از دو برابر کارآیی سیستم سراسری داشته باشد.

شکل1-2- شمای کلی میکرو شبکه

CERTS میکروشبکه دو جزء حیاتی دارد ، سوئیچ استاتیکی و میکرومنابع .سوئیچ استاتیکی توانایی برای جدا کردن مستقل میکروشبکه از اختلالاتی مثل خطاها ، رخداد IEEE 1547 یا رخداد های کیفیت توان دارد. بعد از جدا شدن ، اتصال دوباره میکروشبکه بعد از رفع رخدادی که زمانی نیازی نداری بصورت مستقل انجام شدنی است. این همزمانی بوسیله استفاده از فرکانس های متفاوت انجام شدنی است و مابین میکروشبکه جدا شده و شبکه کاربرد پذیر یک عملیات آزاد گذرا بدون داشتن همزمان کننده فرکانس و زاویه فاز در نقطه اتصال را ضمانت می کند. هر میکرومنبعی می تواند بصورت یکپارچه توان در میکروشبکه جدا شده که از کنترلر توان در مقابل افت فرکانس استفاده می کند را متعادل کند. این افت فرکانسی اغلب تضمین می کند که فرکانس میکروشبکه ار شبکه برای آسان کردن اتصال دوباره به کاربرد پذیری متفاوت است.

میکروشبکه ها جمعه از واحد های تولید درجه پایین ( کمتر از KW100 ) و بار های قابل کنترل متصل شده به شبکه ولتاز پایین برای تامین مکان های محلی با توان الکتریکی و حرارتی به کار گرفته می شود.آنها اغلب به عنوان بخشی از شبکه ولتاژ متوسط عمل می کنند اما آنها همچنین قادربه عمل کردن بصورت مستقل با افزایش قابلیت اطمینان تامین کردن هستند.معماری های مختلف میکرو شبکه در چندین پروژه تحقیقاتی در اتحادیه اروپا ، آمریکا و ژاپن با برخی پروژه های جنبشی که هنوز در حال تکمیل کردن هستند در حال رسیدگی کردن هستند .نمونه از معماری در شکل نشان داده شده است. دو جزء عمده میکروشبکه کنترلر مرکزی و ذخیره ساز انرژی هستند.

شکل1-3- نوعی از معماری میکرو شبکه

ساختار ابتدایی میکروشبکه در شکل نشان داده شده است. این شامل گروهی از فیدر های شعاعی ، که می توانند بخشی از سیستم توزیع یا سیستم الکتریکی ساختمان باشند است. یک نقطه ی تنها در رابطه با سودمندی وجود دارد که نقطه ی مشترک اتصال نامیده می شود. برخی فیدر ها ، ( فیدر های A-C ) بار های حساس دارند که به تولید محلی نیاز دارند. فیدر های با بار های غیر حیاتی هیچ تولید محلی ندارند. فیدر های A-C می توانند از شبکه بوسیله ی سوئیچ استاتیکی که میتواند در کمتر از یک سیکل جدا کننده بشوند. به عنوان مثال در این رابطه چهار میکرومنبع در گره های 11،8،16،22 وجو دارد که عملکرد را بوسیله ولتاژ محلی و اندازه گیری جریان کنترل می کنند.

شکل 1-4- دیاگرام ساختمان میکرو شبکه

زمانی که مشکلی با سودمندی منبع بوجود بیاید سوئیچ استاتیکی باز خواهد شد ، بار های حساس از شبکه توان جدا می شوند. بار های غیر حساس از میان رخداد به گردش در آیند. فرض می شود که تولید کافی برای به هم رسیدن تقاضای بار ها وجود دارد.

زمانی که میکروشبکه به شبکه متصل است توان از طریق تولید محلی می تواند به بار های غبر حساس هدایت بشود. برای رسیدن به این ما کنترل مستقل در یک مدل عملیات نظیر به نظیر و PLUG-AND-PAY برای هر جزء میکروشبکه ترویج می دهیم. مفهوم نظیر به نظیر ضمانت می کند که جزئی مانند کنترل مستر یا واحد ذخیره مرکزی ندارد که برای عملیات میکرو شبکه حاتی است. این اشاره می کند که میکرو شبکه می تواند عملیاتی با از دست دادن هز جزء یا تولید کننده ادامه دهد.با اضافه شدن یک منبع (N+1) ما میتوانیم کاملا عملیاتی بودن را با از دست دادن ه منبعی تضمین کنیم. PLUG – AND – PLAY بیان می کند که هر واحدی می تواند در هر نقطه ای در سیستم الکتریکی بدون باز مهندسی کنترل ها قرار بگیرد. مدل PLUG-AND-PLAY به قرار گرفتن تولید کننده ها در نزدیک بار های حرارتی کمک میکند در نتیجه به بیشتر موثر بودن استفاده از حرارت تلف شده بدون سیستم حرارتی پراکنده پیچیده مانند لوله های آب سرد و بخار آب اجازه می دهد.

1-2-1- پیکر بندی واحد کنترل توان

در این پیکر بندی هر DG مقدار ولتاژ در نقطه ی اتصال و توانی که منبع تزریق می کند را تنطیم می کند. این توانایی است که از میکرومنابع جریان می یابد بطوری که در شکل نشان داده شده است. با این پیکربندی اگر باری در هر جای میکروشبکه افزایش یابد ، پس از اینکه هر واحد برای یک توان خروجی ثابت تنطیم شد توان اضافی از شبکه می آید. این پیکر بندی مناسب عملیات CHP است زیرا تولید توان به حرارت مورد تقاضا وابسته است.تولید الکتریسیته فقط در راندمان بالا قابل حس است که می تواند فقط در زمانی که حرارت تلف شده بکار رفته است فراهم کند. زمانی که سیستم جدا شد عملکرد محلی در مقابل افت فرکانس تضمین می کند که توان در میان جدا شده ها متعادل است.

1-2-2-پیکربندی کنترل جریان فیدر

در این پیکر بندی هر DG  مقدار ولتاژ در نقطه اتصال و توانی که در فیدر ها در نقطه ها ی A,B,C و D در شکل جاری می شود تنظیم می کند. با این پیکر بندی اضافه بار تقاضاشده بوسیله DG که یک بار ثابت برای سودمندی شبکه ارائه می دهد انتخاب می شود. در این مورد میکروشبکه بار ثابت قابل گسیل می شود چنانچه از جانب سودمندی دیده می شود به مدیریت جانی تقاضا برای ترتیب داده اجازه می دهد. دوباره زمانی که سیستم جریان فیدر های محلی در مقابل کارکرد افت فرکانس جدا می کند تضمین می کند که توان متعادل است.

1-2-3- پیکربندی کنترل در هم آمیخته

در این پیکر بندی برخی از DG ها توان خروجی خود را تنظیم می کنند در حالی که برخی دیگر توان جاری فیدر را تنظیم می کنند. برخی واحد ها می توانند هر دو یا جریان مورد نیاز خود را کنترل کنند. این پیکربندی پتانسیل ارائه بهترین راه حل را دارد : برخی واحد ها در پیک راندمان بهبود یافتن حرارت تلف شده عمل می کند ، برخی دیگر از واحد ها تضمین می کنند که جریان توان از شبکه در زیر حالت های تغییر بار در داخل میکروشبکه ثابت می مانند.

شکل یک شبکه توزیع LV  متصل به سیم پیچ ثانویه یک ترانفورماتور MV/LV  را نشان می دهد . این مثال میکروشبکه شامل :

-         چندین میدر تامین کننده بار های الکتریکی

-         چندین سیتسم میکروتولید کننده مانند یک سیستم PV ، یک سلول سوختی ، یک سیستم ⁶CHP و یک میکروتوربین

-         یک چرخ طیار و یک کاپاسیور به عنوان ادوات ذخیره کننده

-         چندین تجهیزات کنترلی و مدیریتی . در اولین وهله ، شبکه سراسری بوسیله ی کنترلر مرکزی میکروشبکه  (⁷MGCC) ، نصب شده در سمت LV پست MV/LV کنترل و مدیریت می شود. MGCC تعدادی وظیفه ی مهم دارد که بعدا بتفصیل در این بخش گفته خواهد شد و می توان راه ارتباطی بین میکروشبکه و شبکه توزیع اصلی دیده شود. در دومین سلسله مراتب سطح کنترل ، هر میکروتولید کننده و وسایل ذخیره کننده بصورت محلی بوسیله ی کنترلر میکرومنابع  (⁸MC) کنترل می شوند ، و هر بار الکتریکی بصورت محلی بوسیله ی کنترلر بار (⁹LC) کنترل می شود . عملکرد مناسب سیستم سراسری به ارتباط و تعامل بین دو مجموعه دستگاه نیاز دارد :