افتادگی و نوسان ساز مبتنی بر شبکه تشکیل مبدل کنترل: تجزیه و تحلیل عملکرد مقایسه ای

محمدعلی اول, هوی یو, سرجان لوکیچ و اقبال حسین *

• مرکز سیستم های فریدم, دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی, رالی, ان سی, ایالات متحده

دو رویکرد متمایز که یکی مدلسازی دامنه فازور مبتنی بر افت و دیگری مدلسازی دامنه زمانی مبتنی بر نوسانگر غیرخطی است برای تجزیه و تحلیل و کنترل مبدلهای الکترونیکی توان در لایه رابط سیستم که این مبدلها در حال یکپارچه سازی منابع انرژی توزیع شده هستند پدیدار شده است. در حالی که کنترل کننده های نوع افتادگی بر اساس تفکیک در مقیاس زمانی متمایز حلقه های کنترل هستند, به طور هدفمند پاسخ حلقه های کنترل را کند می کند, کنترل کننده های مبتنی بر نوسان ساز پاسخ سریع دینامیکی را با قابلیت اشتراک گذاری توان دقیق و همچنین تضمین پایداری تحویل می دهند. در این مقاله, ما هر دو افتادگی تجزیه و تحلیل - و مبدل نوسان ساز نوع در زمینه شبکه تشکیل مبدل با توجه به پاسخ ترمینال حالت پایدار, ثبات گذرا, و جبران هارمونیک در جریان خروجی مبدل و یا در ولتاژ شبکه. نتایج شبیه سازی و تجربی برای نشان دادن ساده تر اجرای کنترل های مبتنی بر نوسان ساز است که همچنین می تواند به اهداف کنترل تکمیلی مربوط به کیفیت قدرت دست یابد.

1. مقدمه

افزایش نفوذ مبدل های الکترونیک قدرت و منابع انرژی تجدید پذیر به سیستم قدرت مجموعهای از چالش های سطح سیستم هر دو از دیدگاه تجزیه و تحلیل و کنترل. دو روند متمایز در جامعه تحقیقاتی ظهور کرده است. در یک طرف طیف کنترل, تلاش قابل توجهی مشاهده شده است برای رسیدن به پاسخ پویا سریع تر از کنترل محلی در مبدل الکترونیک قدرت; این کنترل محلی اساسا ردیابی کنترل با هدف برای پیگیری ولتاژ خاص, جاری, و یا منابع قدرت. پاسخ دینامیکی سریعتر و دقت ردیابی معمولا چنین تلاش های تحقیقاتی مانند کنترل پیش بینی مدل, کنترل فازی و کنترل مستقیم قدرت (کورتس و همکاران., 2008; دونگ و همکاران., 2018یک; رابط کاربری گرافیکی و همکاران., 2018). با این حال, از دیدگاه سطح سیستم, هماهنگی این تعداد روزافزون از منابع توزیع شده یک چالش عمده مطرح. در نتیجه در طرف دیگر طیف دسته دیگری از روش های کنترل پدیدار شده است که اساسا پاسخ منابع توزیع شده را کند می کند. مثلا, ماشین سنکرون مجازی مبتنی بر (بک و هسن, 2007; چن و همکاران., 2011; زونگ و ویس, 2011; چینگ چانگ ژونگ و همکاران., 2014; لیو و همکاران., 2016; زونگ, 2017) و یا روش های مبتنی بر افتادگی کنترل جهانی (زونگ و زنگ, 2016) تقلید اینرسی مجازی, که منجر به پاسخ سیستم کندتر. با الهام از دانش مهندسی اثبات شده از بهره برداری از سیستم قدرت فله, روش مبتنی بر افتادگی به شدت در سیستم های الکترونیک قدرت تحت سلطه در طول دهه گذشته به تصویب رسید (واسکز و همکاران., 2009; کیم و همکاران., 2011; یاو و همکاران., 2011; روکابرت و همکاران., 2012; هان و همکاران., 2015, 2016; خورشید و همکاران., 2017). با این حال, سه چالش عمده برای سیستم های مبتنی بر افتادگی باقی می ماند. ابتدا روشهای مبتنی بر افتادگی نیاز به تقریب فازور ولتاژهای ترمینال مبدل دارند و در مقیاس زمانی فوق همزمان (کلمبینو و همکاران) به خوبی تعریف نشده اند., 2019); به طور موثر, هر تجزیه و تحلیل تنها در اطراف یک مسیر سینوسی دوره معتبر است. از نقطه نظر تحلیلی, این به منزله یک شکست عمده در شبکه های با اینرسی کم, که شامل تمام سیستم های الکترونیک قدرت تحت سلطه. دوم اینکه یک مبدل کنترل شده با افتادگی معمولا از ساختار کنترلی کاسکید شده شامل حلقه های کنترل ولتاژ داخلی و جریان (گررو و همکاران) استفاده می کند., 2011, 2013; محمد و رضوان, 2011; هان و همکاران., 2017الف, ب). جداسازی در مقیاس زمانی متمایز, حداقل یک مرتبه از قدر,

بین حلقه های کنترل پی در پی مورد نیاز است. برای برنامه های کاربردی با قدرت بالا با فرکانس تعویض کم, چنین جداسازی در مقیاس زمانی دشوار است برای رسیدن به. سوم اینکه طراحی حلقههای کنترلی کاسکد دشوار است و تحلیل شبکههای بزرگ با لایههای متعدد حلقههای کنترلی کاسکد چالشبرانگیزتر میشود. تاخیر در اجرای کنترلر دیجیتال و تعامل فیلترهای مرتبه بالاتر مانند فیلترهای ال سی ال با بقیه شبکه ممکن است منجر به ناپایداری رزونانس هارمونیک در حلقه های کنترل جریان و ولتاژ داخلی (اول و همکاران) شود., 2019الف, ب; یو و همکاران., 2019). به عنوان جایگزینی برای کنترل افتادگی دسته ای از کنترل کننده های دامنه زمان غیر خطی پیشنهاد شده است که مبدل های الکترونیک قدرت برای تقلید از پاسخ دینامیکی نوسانگرهای غیر خطی کار می کنند. نوسانگرهای ضعیف غیر خطی مانند ون در پل و اسیلاتورهای منطقه مرده برای کنترل نوسانگر مجازی سیستم های الکترونیکی قدرت شبکه (جانسون و همکاران., 2014, 2016; سینها و همکاران., 2016, 2017). با این حال, وک می کند اعزام مرجع قدرت در زمان واقعی اجازه نمی دهد در شکل اصلی خود; یک ساختار کنترل سلسله مراتبی برای فعال کردن چنین قابلیت اعزامی برای واک توسط اول و همکاران. (2020 ب). کنترل مبتنی بر سیستم نوسان هاپف نوع, به عنوان کنترل نوسان ساز مجازی اعزام نامیده (دووک), همچنین به تازگی پیشنهاد شده است (کلمبینو و همکاران., 2017, 2019; لو و همکاران., 2019; جستجوگرها و همکاران., 2019). از دیدگاه تجزیه و تحلیل, این روش مبتنی بر نوسان کنترل دامنه زمان هستند و تقریب فازور نیاز ندارد. با استفاده از تجزیه و تحلیل غیر خطی تقریبا پایداری مجانبی جهانی در شبکه های الکتریکی همگن و ناهمگن ثابت شده است. دوم اینکه این روش ها نیازی به ولتاژ داخلی یا حلقه های کنترل جریان ندارند و نیاز به جداسازی در مقیاس زمانی را از بین می برند. سوم اینکه پیاده سازی ساده تر می شود زیرا حلقه های چندگانه ضروری نیستند. با این حال, زیرا از حلقه های کنترل جریان و ولتاژ داخلی برای کنترل مبتنی بر نوسان ساز استفاده نمی شود, بر خلاف کنترل افتادگی, پاسخ افتادگی مورد نظر در خروجی شبکه کلید به جای ترمینال مبدل فعال می شود. در نتیجه, با وجود رفتار افتادگی مشابه, پاسخ حالت پایدار در پایانه های مبدل برای کنترل افتادگی و کنترل نوسان ساز متفاوت. همچنین پایداری گذرا کنترل مبتنی بر نوسانگر در شرایط خطا با روشهای مبتنی بر افتادگی تفاوت معنیداری دارد.

بخش عمده ای از کار بر روی کنترل مبتنی بر نوسان ساز در تجزیه و تحلیل نظری است که پایه و اساس این کلاس از روش های کنترل غیر خطی گذاشته متمرکز شده است. با این حال, دینامیک فرکانس بالا برای این کلاس از کنترل تا حد زیادی نادیده گرفته شده است. مثلا, در حضور اعوجاج هارمونیک در ولتاژ شبکه/سمت شبکه, جریان خروجی مبدل برای هر روش کنترل مبتنی بر نوسان ساز به شدت تحریف می شود. در چنین کاربردهایی ممکن است جبران هارمونیک انتخابی جریان یا ولتاژ مورد نظر باشد. برای جبران هارمونیک می توان از روش های تحلیل و طراحی مبتنی بر امپدانس برای مبدل های مبتنی بر نوسان ساز استفاده کرد., 2020 الف).

مطالعات تطبیقی در مورد کنترل شبکه شکل دهی مبتنی بر نوسان ساز و افتادگی در جانسون و همکاران گزارش شده است. (2017) و شیعه و همکاران. (2019), جایی که از تجزیه و تحلیل سیگنال کوچک برای ارزیابی عملکرد پویا در پاسخ به گذراهای کوچک استفاده شد. در این مقاله به مقایسه بین روشهای کنترل مبتنی بر افت و نوسانگر از منظر نظری و پیادهسازی میپردازیم. بقیه مقاله به شرح زیر سازماندهی شده است. ابتدا مقایسه ای بین مبدل های شبکه ساز مبتنی بر نوسانگر و افت شونده ارایه شده است. دومین, پاسخ ترمینال حالت پایدار برای دو روش کنترل مورد بحث قرار گرفته. ثالثا پایداری گذرا در شرایط خطا توصیف شده است. در نهایت روشهای جبران هارمونیک جریان و ولتاژ سازگار برای مبدلهای مبتنی بر نوسان ساز ارایه شده است.

2. ساختار کنترل شبکه ساز

یک مبدل شبکه تشکیل (جی اف ام) توسط تعدادی از ویژگی های ترمینال مجزا تعریف شده است. اولین, یک مبدل جی اف ام قادر به خدمت بارهای محلی در عملیات مستقل است. دومین, در حالی که به یک شبکه برق متصل, یک مبدل جی اف ام در ایجاد توازن میان تولید و تقاضای بار در شبکه شرکت. به طور مشخص, به جای ردیابی مجموعه ای از منابع قدرت واقعی و راکتیو مانند یک مبدل شبکه زیر (جی اف ال), یک مبدل جی اف ام خروجی قدرت واقعی و راکتیو خود را در اطراف اسمی مجموعه نقاط در پاسخ به تنوع ولتاژ و فرکانس دیده می شود در ترمینال مبدل افتادگی. شکل 1 ساختار کنترل معمولی مبدل جی اف ام بر اساس کنترل افتادگی را نشان می دهد.