توضیحات

پروژه شبیه سازی متلب کنترل منابع انرژی ریزشبکه شامل ذخیره ساز انرژی(EES) و دیزل ژنراتور(DG) و مزرعه خورشیدی با کنترل پیش بین(MPC)

دانلود مقاله مرجع

استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر به خصوص قدرت باد، توجه شدید دولت ها و موسسات خصوصی را به خود جلب کرده است، چرا که یکی از بهترین منابع انرژی جاری محسوب می شود که بسیاری از کشورها در سراسر جهان در حال اتخاذ آن هستند. عدم دسترسی به برق در حال حاضر شامل جمعیت زیادی در سرتاسر جهان نظیر مناطق روستایی کوچک و یا جزایری که دور از خشکی هستند می باشد. سیستم های انرژی مناطق منفصل شده با سیستم های پایدار متصل به شبکه اصلی متفاوت هستند. خاص بودن مناطق منفصل شده خطرات بیشتری را برای برنامه ریزی سیستم های انرژی آنها ایجاد می کند و مناطق منفصل شده را می توان یک هدف تجزیه و تحلیل خاص تر از مناطق اصلی دانست. عدم تطابق بین تولید کل و تقاضا ممکن است اغلب در سیستم های ترکیبی قدرت مشاهده شود که منجر به نوسان برق و فرکانس می شود. برای جلوگیری از این مشکل، واحد دیزل ژنراتور و سیستم ذخیره ساز انرژی باتری در آن گنجانیده شده اند. واحدهای دیزل ژنراتور به ویژه در مناطق دور افتاده برجسته تر خود را نشان داده اند. دیزل ژنراتور برای پیگیری تقاضای بار و به حداقل رساندن نوسان فرکانس، از پاسخ پویای بسیار خوبی برخوردار است. بنابراین، دیزل ژنراتور می تواند نقش اساسی در حفظ توان سیستم جزیره ای ایفا کند. مردم جهان حداقل در آینده نزدیک نمی توانند فقط از منابع انرژی تجدید پذیر استفاده کنند. حالت ایده آل، انرژی های تجدید پذیر باید۱۰۰٪ از مصرف انرژی جهان را پوشش دهد، اما این تنها یک ایده نظری است که امکان پذیر نیست. با این وجود، باید نسبت تولید انرژی منابع انرژی تجدیدپذیر در جهان با بیشترین سرعت ممکن افزایش داده شود. انرژی منابع تجدیدپذیر باید به علت عدم تحویل آن ذخیره شده و مورد استفاده قرار گیرد. ذخیره و انباشت انرژی کلید بهره برداری از منابع انرژی تجدید­پذیر است. استفاده از باتری ها یا نیروگاه های برق آبی خاص تنها راهی است که امروز می توان انرژی را از منابع تجدید پذیر ذخیره کرد. انباشت و ذخیره انرژی یکی از مهم ترین موضوعات در زمان ما است.به طورکلی، ژنراتورها همزمان با تولید دیزل ژنراتور مورد استفاده قرار می گیرند.

با افزایش نگرانی ها برای محیط زیست، افزایش قیمت سوخت فسیلی و پیشرفت بهره برداری از منابع تجدیدپذیر، به عنوان نمونه: انرژی باد و خورشیدی که در مناطق دورافتاده برای تأمین برق محبوبیت دارد، روبرو هستیم. در عین حال تقاضای انرژی الکتریکی به طور مداوم افزایش می یابد و این تقاضا باید توسط یک مدیریت درست برنامه ریزی شود. علاوه بر این، با توجه به اطلاعات جهانی، بیش از ۲ میلیارد نفر در سراسر جهان در حال حاضر در مناطق روستایی دورافتاده زندگی می کنند. آنها هنوز به دلایلی دارای محدودیت هایی برای اتصال به خطوط برق هستند. از این رو هدف اصلی این کار بهره مند کردن مردم در استفاده از انرژی پاک و انرژی الکتریکی با کیفیت در مناطق ایزوله شده و همچنین روستاهای دورافتاده است. انرژی الکتریکی به طور کلی از سوخت های فسیلی تولید می شود، اما کمبود آن منجر به افزایش تدریجی هزینه های انرژی می گردد. در این وضعیت، ترکیبی از منابع مختلف انرژی به عنوان جایگزین جالبی برای دستیابی به انرژی با اهداف صرفه جویی، کاهش هزینه های انرژی و کاهش آلودگی هوا ارائه شده است. اغلب با تقاضای بار مطابقت ندارد. در چنین وضعیتی، دیزل ژنراتور باید قدرت را برای مدت کوتاهی عرضه کند. با این وجود، شروع / توقف مکرر دیزل ژنراتور توصیه نمی شود. برای جلوگیری از شروع / توقف مکرر دیزل ژنراتور، یک سیستم ذخیره انرژی می تواند در این مواقع استفاده شود. استفاده از سیستم های ذخیره انرژی برای کمک به دیزل ژنراتور در شرایط گذرا قادر به کاهش نوسانات قدرت است که نتیجه آن بهبود عملکرد دینامیکی سیستم های ترکیبی است. دیزل ژنراتور در برنامه های کاربردی سیستم قدرت در مناطق خارج از شبکه ایزوله شده دارای قابلیت اطمینان هزینه نصب کم، سهولت شروع، جمع و جور بودن، تراکم قدرت مناسب و قابلیت حمل و نقل قابل قبولی است.

اضافه کردن ذخیره کننده های انرژی به سیستم ها می تواند با از مدار خارج کردن دیزل ژنراتورها به هنگام بیشتر شدن توان تولیدی نسبت به بار مرتفع کند. لازم به ذکر است که استفاده از ذخیره کننده های انرژی باعث تسهیل در به کار گیری مولدهای انرژی تجدیدپذیر می شود. بنابراین، به خصوص در حالت خارج از شبکه، یک دیزل ژنراتور به یک منبع پشتیبان دیگری مانند ابرخازن به علت توانایی حفظ تعادل توان نیاز دارد. با توجه به اهمیت قابلیت اطمینان سیستم، این مسأله به خوبی ثابت شده است که منابع انرژی تجدید پذیر بایستی برای تولید توان مستمر با منبع توان دیگری، خصوصا در حالت مجزا از شبکه همراه شوند. ریز شبکه های جزیره ای و سیستم های ترکیبی مجزا از شبکه براساس ژنراتور بادی و مولدهای فتوولتاییک که با ذخیره کننده های انرژی همچون باتری و ژنراتور دیزلی ترکیب شده، در طی چند سال گذشته در مناطق مختلف آب و هوایی نصب و عملیاتی شده است.

اهداف استفاده از ریزشبکه:

اهداف مختلفی که با استفاده از ریز شبکه می توان به آن دست پیدا کرد در زیر شرح داده شده اند:

قابلیت اطمینان منبع توان

کاهش اثرات سوء زیست محیطی

کاهش هزینه های سرمایه گذاری و افزایش پایداری انرژی

حصول اطمینان از تنوع عرضه ی انرژی

استفاده از مزایای ذخیرهی انرژی و تغذیه مناطق دور دست و ایزوله از شبکه های هوشمند آینده انتظار سازماندهی ریزشبکه ها برای تبادل فرمان، اطلاعات و توان می رود.

ریزشبکه می تواند به عنوان شبکه تولید برق ولتاژ پایین، تجهیزات ذخیره سازی و بارها تعریف شود و می تواند یک منطقه محلی مانند حومه ی شهر، صنایع یا یک منطقه ی تجاری را به وسیله توان الکتریکی و گرما تغذیه کند و همچنین به عنوان یک موجودیت واحد به خودی خود قادر است به شبکه ی برق متصل شود و یا به صورت مستقل مانند یک سیستم قدرت پایدار بهره برداری شود.

چالش های پیش روی سیستم های ترکیبی

منابع انرژی تجدیدپذیر مانند باد و خورشید، به دلیل وابستگی آنها به شرایط آب و هوایی، دارای مشکل عدم ثبات و غیر قابل پیش بینی بودن هستند. بنابراین سیستم فتوولتائیک و سیستم باد تنها قادر به پاسخگویی به تقاضای بار فقط برای دوره های زمانی هستند که تابش خورشیدی با سرعت باد مناسب در دسترس است. درنتیجه، هنگام استفاده از منبع انرژی تجدید پذیر،یک منبع انرژی پشتیبان یا سیستم ذخیره سازی معمولاً ضروری است. منبع تولید انرژی پشتیبان در زمانی که انرژی تجدیدپذیر(تابش خورشید / سرعت اولیه باد) در دسترس نیست، انرژی مورد نیاز را تأمین می کند. از سوی دیگر، تأمین انرژی از دیزل ژنراتور قابل پیش بینی و مستقل از آب و هوا می باشد. با این حال، استفاده از دیزل ژنراتورها دارای معایبی مانند آلودگی محیطی توسط انتشار کربن دی اکسید و هزینه های بالای تعمیر و نگهداری است.

دیزل ژنراتورها بر پایه سیستم های تولید در سطح توزیع، از سه موضوع اصلی تأثیر می پذیرند. مسئله اول وجود بارهای نامتعادل است. دوم، افزایش روزافزون بارهای مصرفی مبتنی بر سیستم های الکترونیک قدرت، که باعث ایجاد هارمونیک در مدار ژنراتور می شود. هارمونیک ها و جریان های نامتعادل در یک سیستم مولد کوچک، از طریق ژنراتور جاری می گردد، که باعث افزایش تلفات می شود و درنتیجه نوسان گشتاور را ایجاد می کند. سومین و مهمترین مسئله، مصرف سوخت است. هنگامی که بارگذاری دیزل ژنراتور از منطقه کار آمد سوخت منحرف می شود، مصرف سوخت افزایش می یابد.

اهداف شکل­گیري ریزشبکه (Microgrid)

یکی از مهمترین هدف­ها به منظوررفتن به سمت ریزشبکه جلوگیري از اتلاف انرژي است. در ریزشبکه با حضور منابع تولیدپراکنده در نزدیک مصرف­کنندگان هم از انرژي الکتریکی تولیدشده می­توان استفاده کرد و هم انرژي گرمایی ناشی از منابع تولیدکننده، قابل استفاده خواهدبود.  به این ترتیب اولاً تلفات شبکة بالادست کاهش می­یابد(کاهش تلفات الکتریکی) ثانیاً انرژي غیرالکتریکی مثل حرارت را می­توان بازیافت. استفاده از ریزشبکه­ها قابلیت اطمینان سیستم را افزایش می­دهد. باتوجه به اینکه ریزشبکه می­تواند در زمان بروز خطا با رفتن به حالت جزیره­اي، توان مصرفی مشترکین خود را تأمین کند. به این ترتیب قابلیت اطمینان در این شبکه­ها نسبت به شبکه عادي به مراتب بیشتر خواهدبود.

کنترل پیش بین مدل(MPC)

روش کنترل پیش­بین از جمله روش­هاي بسیار گسترده در کنترل مبدل­هاي الکترونیک قدرت می­باشد که در دهه­هاي اخیر مورد توجه قرارگرفته است. مهم­ترین ویژگی کنترل پیش­بین در استفاده از مدل سیستم براي     پیش­بینی رفتار متغیرهاي کنترلی است. این اطلاعات به­وسیلة کنترلگر براي ایجاد عملکرد بهینه، مطابق با معیارهاي بهینه­سازي از پیش تعیین شده استفاده می­شود. یک از مزایاي کنترل پیش­بین در سادگی مفهوم و شهودي بودن آن است. با استفاده از کنترل پیش­بین از ساختارهاي متوالی و آبشاري که در الگوهاي کنترل خطی متداول می­باشد، می­توان اجتناب کرده که موجب سرعت­­ بخشیدن به پاسخ­هاي گذرا خواهد شد. به عنوان یک مثال از این مورد می­توان به کنترل سرعت با روش کنترل پیش­بین مسیریاب اشاره کرد. پارامترهاي غیرخطی سیستم را می­توان در مدل لحاظ کرد که درنتیجه از فرآیند خطی­سازي حول نقطه کار جلوگیري شده و بازة عملیاتی سیستم افزایش می­یابد. به علاوه می­توان بعضی قیود را روي متغیرهاي خاص اعمال کرد که این فرآیند در روش­هایی مانند کنترل پیش­بین به سادگی قابل اعمال می­باشد.

کنترل پیش­بین مدل روشی کاملاً متفاوت را براي پردازش انرژي، با فرض گرفتن مبدل توان به­عنوان یک محرك توان گسسته و غیرخطی، ارائه می­کند. در سیستم­هاي MPC عملکرد کنترلی فقط در یک کنترل کننده و با انتخاب آنلاین آن از میان تمام حالت­هاي ممکن حاصل می­شود، که باید در مدل پیش­بین گسسته، تابع هزینه را حداقل کند. بنابراین با انتخاب مناسب فرمولاسیون تابع هزینه، اجازة انعطاف­پذیري بیشتر و نیز بهینه­سازي چندین پارامتر مهم مانند تعداد سوئیچ­زنی، تلفات سوئیچ­زنی، کنترل توان راکتیو، حداقل­سازي ریپل گشتاور موتور و غیره فراهم می­شود.

اصول عملکرد MPC

روش MPC خانواده­اي از کنترل­گرها بوده که به طور واضح و صریحی از مدل سیستم هدف براي کنترل­کردن آن استفاده می­کنند. عموماً MPC عمل کنترلی را با حداقل­سازي تابع هزینه که رفتار مطلوب سیستم را توضیح می­دهد، تعیین می­کند. این تابع هزینة خروجی پیش­بینی شده سیستم را با مقدار مرجع آن مقایسه می­کند. خروجی­هاي پیش­بینی شده از طریق مدل سیستم محاسبه می­شوند. غالباً براي هر دوره نمونه­برداري کنترلگر MPC دنباله­اي از حالت­ها یا کنش­هایی که تابع هزینه را حداقل می­کنند، بدست می­آورد اما تنها عضو اول آن را به سیستم اعمال می­کند. اگرچه که کنترل­گر MPC یک مسئله بهینه­سازي حلقه باز را کنترل می­کند، الگوریتم MPC در هر دوره نمونه­برداري در یک افق پیش روي زمانی حل می­شود که موجب ایجاد یک حلقه فیدبک شده و قابلیت مقاوم­بودن را با توجه به عدم قطعیت­هاي سیستم را در خود دارد. براي انجام فرآیند کنترل پیش­بین مدل در یک سیستم، باید مدل آن، تابع هزینه مناسب با هدف کنترلی و افق زمانی پیش رو را در اختیار داشت و یا تعیین کرد. یکی از مزایاي کنترل پیش­بین، مفاهیم ساده و قابل درك می­باشد. براساس نوع کنترل پیش­بین انتخابی، مانند کنترل سکون و مجموعه کنترل متناهی MPC، پیاده­سازي آن می­تواند ساده باشد. امکان لحاظ­کردن غیرخطی ­بودن سیستم در مدل وجود دارد و از خطی­سازي در نقطه بهره­برداري جلوگیري شده و سبب بهبود عملکرد سیستم در شرایط گوناگون می­گردد. امکان ایجاد محدودیت بر روي متغیرها هنگام طراحی کنترل­کننده نیز وجود دارد.

در این پروژه کنترل منابع انرژی ریزشبکه شامل مزرعه خورشیدی، سیستم ذخیره ساز انرژی باتری و دیزل ژنراتور با کنترل پیش بین مدل(MPC) انجام شده است. مزرعه خورشیدی 50 کیلوواتی یکی از منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده شده در این پروژه است. ذخیره ساز انرژی شامل یک بانک باتری اسیدی یا سربی- اسیدی بازیافتی یا سلول های لیتیمی یا مخازن/تانک های آبی است که در آن آب برای هدف آبیاری یا تولید توان پمپاژ می شود.

برآورد می شود که ذخیره ساز انرژی بیشینه ظرفیت ذخیره سازی 800 کیلووات ساعتی را تامین نماید. دیزل ژنراتور 150 کیلوواتی است که مصرف آن در مقدار حداقلی نگه داشته می شود.

معادله موازنه توان

مزرعه خورشیدی

مزرعه خورشیدی شامل 221 پنل خورشیدی فتوولتائیکی در اندازه متوسط می باشد.

خروجی توان مزرعه خورشیدی برای یک روز نمونه در شکل زیر نشان داده شده است.

سیستم های ذخیره ساز انرژی

سیستم ذخیره ساز 80 کیلووات ساعتی درنظرگرفته شده است.

طرح کنترل سه منبع انرژی خورشیدی، سیستم ذخیره ساز انرژی و دیزل ژنراتور توسط کنترل پیش بین مدل(MPC)