• صفحه اصلی
  • کنترل هوشمند سیستم جبران‌کننده استاتیکی فتوولتائیک بر پایه منطق فازی به‌منظور بهبود پایداری ولتاژ

اشتراک گذاری

آدرس مقاله


کد مقاله : JIPET-2304-1946 بازدید : 411 صفحه: 119 - 134

20.1001.1.23223871.1403.15.60.7.2

نوع مقاله: پژوهشی

کنترل هوشمند سیستم جبران‌کننده استاتیکی فتوولتائیک بر پایه منطق فازی به‌منظور بهبود پایداری ولتاژ

محورهای موضوعی : انرژی های تجدیدپذیر

علی دلیریان 1 , علیرضا صولت 2 , سید محمد جواد رستگار فاطمی 3

1 - گروه مهندسي برق، دانشکده مهندسي برق، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران
2 - گروه مهندسي برق، دانشکده مهندسي برق، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران
3 - گروه مهندسي برق، دانشکده مهندسي برق، واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران

تاریخ دریافت : 1401/11/02 تاریخ پذیرش : 1402/02/02 تاریخ انتشار : 1403/12/01

کلید واژه: پایداری ولتاژ, سیستم فتوولتائیک, کنترل هوشمند, حالت جبران‌کننده استاتیکی,

چکیده مقاله :

این مقاله یک کنترل فازی جدید برای سیستم فتوولتائیک مبتنی بر جبران کننده سنکرون استاتیکی (PVSTATCOM) به منظور بهبود پایداری ولتاژ پیشنهاد می‌کند. سیستم پیشنهادی وظیفه کنترل ولتاژ دینامیکی سیستم خورشیدی PV متصل شده به باس بار را در حالت های عملیاتی مختلف به عنوان STATCOM و/یا تولید توان اکتیو PV بر عهده دارد. در این استراتژی، هنگام بروز اختلال، کنترل کننده فازی پیشنهادی با تشخیص آن و با توجه به شدت اغتشاش، در صورت عدم وجود یا ناکافی بودن ظرفیت باقیمانده اینورتر برای جبران سازی توان راکتیو، تولید توان اکتیو سیستم خورشیدی را متوقف می‌کند و از اینورتر آن به طور کامل به عنوان STATCOM، برای تنظیم ولتاژ در باس بار، استفاده می‌کند. پس از رفع اختلال، سیستم به حالت تولید توان اکتیو مانند قبل از اختلال باز می‌گردد. برای ارزیابی عملکرد کنترل‌کننده فازی پیشنهادی، حالت‌های مختلفی با نرم افزار EMTDC/PSCAD شبیه‌سازی شده‌اند تا توانایی کنترل‌کننده برای بهبود پایداری سیستم قدرت را به اثبات برسانند. نتایج تأیید می‌کند که PV- STATCOM با کنترل کننده پیشنهادی می‌تواند عملکرد دینامیکی سیستم را بهبود بخشد.

چکیده انگلیسی:

This paper proposes a new fuzzy control for photovoltaic static compensator (PV-STATCOM) system in order to improve voltage stability. The task of proposed system is the dynamic voltage control of a solar PV system connected to load bus in different operating modes as STATCOM and/or PV active power generation. In this strategy, in case of perturbation, the proposed fuzzy controller by detecting it and considering the severity of disturbance, when there is no or insufficient remaining capacity of the inverter to compensate the reactive power, stops the active power production of the PV solar system, and then the entire capacity of the inverter is used as a STATCOM to regulate the voltage at the load bus. Then, after fixing the problem, the system returns to the active power generation mode as before. To evaluate the performance of the proposed fuzzy controller, different modes are simulated with EMTDC/PSCAD software to prove the ability of the controller to improve the stability of the power system. The results confirm that the PV-STATCOM with the proposed controller can improve the dynamic performance of the system.

منابع و مأخذ:

[1] M. Ocak, Z. Ocak, S. Bilgen, S. Keleş, K. Kaygusuz, “Energy utilization, environmental pollution and renewable energy sources in turkey”, Energy Conversion and Management, vol. 45, no. 6, pp. 845–864, April 2004 (doi: 10.1016/S0196-8904 (03) 00192-4).

[2] M.A.H. Rafi, T. Vo, P.H. Nguyen, “Effective integration of large‐scale wind power using PV‐STATCOM”, The Journal of Engineering, vol. 2019, no. 18, pp. 5303–5307, July 2019 (doi: 10.1049/joe.2018.9232).

[3] C. Magazzino, P. Toma, G. Fusco, D. Valente, I. Petrosillo, “Renewable energy consumption, environmental degradation and economic growth: the greener the richer”, Ecological Indicators, vol. 139, Article Number: 108912, June 2022 (doi: 10.1016/j.ecolind.2022.108912).

[4] R.K. Varma, M. Akbari, “Simultaneous fast frequency control and power oscillation damping by utilizing pv solar system as pv-statcom”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 11, no. 1, pp. 415–425, Jan. 2020 (doi: 10.1109/TSTE.2019.2892943).

[5] R.K. Varma, S. Mohan, “Mitigation of fault induced delayed voltage recovery (FIDVR) by PV-STATCOM”, IEEE Trans. on Power Systems, vol. 37, no. 2, pp. 1666-1666, March 2022 (doi: 10.1109/TPWRS.20­22.­314­80­29).

[6] H. Karbouj, Z.H. Rather, B.C. Pal, “Adaptive voltage control for large scale solar PV power plant considering real life factors”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 12, no. 2, pp. 990-998, April 2021 (doi: 10.1109/TSTE.2020.3029102).

[7] R.K. Varma, E.M. Siavashi, “PV-STATCOM: A new smart inverter for voltage control in distribution systems”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 9, no. 4, pp. 1681–1691, Oct. 2018 (doi: 10.1109/TSTE.20­18.28­08601).

[8] S. Dhanapal, R. Anita, “Voltage and frequency control of stand alone self-excited induction generator using photovoltaic system based STATCOM”, Journal of Circuits, Systems and Computers, vol. 25, no. 4, pp. 1–24, Nov. 2015 (doi: 10.1142/S0218126616500316).

[9] Y. Du, Y. Men, L. Ding, X. Lu, “Large-signal stability analysis for inverter-based dynamic microgrids reconfiguration”, IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 14, no. 2, pp. 836-852, March 2023 (doi: 10.1109/TSG.20­21.­3123937).

[10] J. Park, J. Yu, J. Kim, M. Kim, K. Kim, S. Han, “Frequency/voltage regulation with STATCOM with battery in high voltage transmission system”, International Federation of Automatic Control, vol. 49, no. 27, pp. 296–300, Nov. 2016 (doi: 10.1016/j.ifacol.2016.10.707).

[11] M.Y. Suliman, “Voltage profile enhancement in distribution network using static synchronous compensator STATCOM”, International Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 10, no. 4, pp. 3367–3374, Aug. 2020 (doi: 10.11591/ijece.v10i4.pp3367-3374).

[12] A.J. Ali, M.Y. Suliman, L.A. Khalaf, N.S. Sultan, “Performance investigation of stand-alone induction generator based on STATCOM for wind power application”, International Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 10, no. 6, pp. 5570–5578, Dec. 2020 (doi: 10.11591/ijece.v10i6.pp5570-5578).

[13] W. Rohouma, R.S. Balog, M.M. Begovic, A.A. Peerzada, “Capacitor-less D-STATCOM for voltage profile improvement in a smartgrid distribution network with high pv penetration”, Proceeding of the IEEE/ICSG, vol. 3, pp. 155–159, Istanbul, Turkey, May 2022 (doi: 10.1109/icSmartGrid55722.2022.9848771).

[14] C.A. Cañizares, M. Pozzi, S. Corsi, E. Uzunovic, “STATCOM modeling for voltage and angle stability studies”, International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 25, no. 6, pp. 431–441, July 2003 (doi: 10.1016/S0142-0615 (02)00125-4).

[15] A. Moeini, I. Kamwa, “analytical concepts for reactive power based primary frequency control in power systems”, IEEE Trans. on Power Systems, vol. 31, no. 6, pp. 4217–4230, Nov. 2016 (doi: 10.1109/TPW­RS.201­5.2511153).

[16] R.K. Varma, V. Khadkikar, R. Seethapathy, “Nighttime application of PV solar farm as STATCOM to regulate grid voltage”, IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 24, no. 4, pp. 983–985, Dec. 2009 (doi: 10.1109/TEC.2009.2031814).

[17] R.K. Varma, S. Mohan, J. McMichael-Dennis, “Multimode control of PV-STATCOM for stabilization of remote critical induction motor”, IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 10, no. 6, pp. 1872-1881, Nov. 2020 (doi: 10.1109/JPHOTOV.2020.3013975).

[18] R.K. Varma, E.M. Siavashi, “Enhancement of solar farm connectivity with smart PV inverter PV-STATCOM”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 10, no. 3, pp. 1161–1171, July 2019 (doi: 10.1109/TS­TE.2­018.2862405).

[19] R.K. Varma, H. Maleki, “PV solar system control as STATCOM (PV-STATCOM) for power oscillation damping”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 10, no. 4, pp. 1793–1803, Oct. 2019 (doi: 10.1109/T­STE.­20­18.2871074).

[20] R.K. Varma, R. Salehi, “SSR mitigation with a new control of PV solar farm as STATCOM (PV-STATCOM)”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 8, no. 4, pp. 1473–1483, Oct. 2017 (doi: 10.1109/TST­E.20­17.2691279).

[21] R.K. Varma, E.M. Siavashi, S. Mohan, T. Vanderheide, “First in canada, night and day field demonstration of a new photovoltaic solar-based flexible AC transmission system (FACTS) Device PV-STATCOM for stabilizing critical induction motor”, IEEE Access, vol. 7, pp. 149479–149492, Aug. 2019 (doi: 10.1109/A­CC­E­SS.2019.2935161).

[22] N. Goel, S. Chacko, R.N. Patel, “PI controller tuning based on stochastic optimization technique for perfor­mance enhancement of DTC induction motor drives”, Journal of the Institution of Engineers, vol. 101, no. 6, pp. 699–706, Oct. 2020 (doi: 10.1007/s40031-020-00496-z).

[23] M.I. Mosaad, H.S.M. Ramadan, M. Aljohani, M.F. El-Naggar, S.S.M. Ghoneim, “Near-optimal PI controllers of STATCOM for efficient hybrid renewable power system”, IEEE Access, vol. 9, pp. 34119-34130, Feb. 2021 (doi: 10.1109/ACCESS.2021.3058081).

[24] S.R.K. Varma, S.A. Rahman, T. Vanderheide, “New control of PV solar farm as STATCOM (PV-STAT­CO­M) for increasing grid power transmission limits during night and day”, IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 30, no. 2, pp. 755–763, April 2015 (doi: 10.1109/TPWRD.2014.2375216).

[25] R.K. Varma, S.A. Rahman, V. Atodaria, S. Mohan, T. Vanderheide, “Technique for fast detection of short circuit current in pv distributed generator”, IEEE Power and Energy Technology Systems Journal, vol. 3, no. 4, pp. 155-165, Dec. 2016 (doi: 10.1109/JPETS.2016.2592465).

[26] R. Kumar, R. Diwania, S. Khetrapal, “Performance assessment of the two metaheuristic techniques and their Hybrid for power system stability enhancement with PV-STATCOM”, Neural Computing and Applic­ations, vol. 34, pp. 3723–3744, March 2022 (doi: 10.1007/s00521-021-06637-9).

[27] A. Teke, M. E. Meral, L. Saribulut, M. Tümay, “Implementation of fuzzy logic controller using FORTRAN language in PSCAD/EMTDC”, International Journal of  Electrical Engineering and Education, vol. 48, no. 4, pp. 372–390, Oct. 2012 (doi: 10.7227/IJEEE.48.4.3).

[28] A. Solat, A.M. Ranjbar, B. Mozafari, “A comparative study on fuzzy damping controller for DFIG wind farms to improve power system oscillations”, Journal of Intelligent and  Fuzzy Systems, vol. 37, no. 4, pp. 4965–4978, Jan. 2019 (doi: 10.3233/JIFS-181524).

[29] S. Souri, H. Mohammadnezhad-Shourkaei, S. Soleymani, B. Mozafari, “Reactive power management in low voltage distribution networks using capability and oversizing of PV smart inverters”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 14, no. 56, pp. 21-42, March 2024 (in Persian) (dor: 20.1001.1.2­3223­871.1402.14.56.2.2).

[30] M. Abbasi, M. Nafar, M. Simab, “Management and control of microgrids connected to three-phase network with the approach of activating current limitation under unbalanced errors using fuzzy intelligent method with the presence of battery, wind, photovoltaic and diesel sources”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 13, no. 49, pp. 55-66, June 2022 (in Persian) (dor: 20.1001.1.23223871.1401.13.49.4.3).

[31] F. Haghighatdar-Fesharaki, A. Haghshenas, “STATCOM controller design with using of improved robust backstepping algorithm based on PSO to reduce large signal disturbances in power systems”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 10, no. 37, pp. 3-12, May 2019 (in Persian) (dor: 20.1001.1.23223871.1398.10.37.1.5).

[32] C.Y. Tang, J.H. Jheng, “An active power ripple mitigation strategy for three-phase grid-tied inverters under unbalanced grid voltages”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 38, no. 1, pp. 27-33, Jan. 2023 (doi: 10.1109/TPEL.2022.3198410).

_||_
متن کامل:
الگوي تهيه مقالات

JIPET

Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology

Vol. 15/ No. 60/ Winter 2025

P-ISSN: 2322-3871, E-ISSN: 2345-5594, http://jipet.iaun.ac.ir/

 

https://dorl.net/dor/20.1001.................................

Research Article

 

Smart Control of Photovoltaic Static Compensator System Based on Fuzzy Logic Control to Improve Voltage Stability

 

Ali Dalirian, Ph.D. Student, Alireza Solat, Assistant Professor, Seyed Mohammad Javad Rastegar Fatemi, Assistant Professor

 

College of Electrical Engineering and Computer- Saveh Branch, Islamic Azad University, Saveh, Iran

iranvolta.co@gmail.com, alireza.solat@iau.ac.ir, rastegar.fatemi@gmail.com

 

Abstract

This paper proposes a new fuzzy control for photovoltaic static compensator (PV-STATCOM) system in order to improve voltage stability. The task of proposed system is the dynamic voltage control of a solar PV system connected to load bus in different operating modes as STATCOM and/or PV active power generation. In this strategy, in case of perturbation, the proposed fuzzy controller by detecting it and considering the severity of disturbance, when there is no or insufficient remaining capacity of the inverter to compensate the reactive power, stops the active power production of the PV solar system, and then the entire capacity of the inverter is used as a STATCOM to regulate the voltage at the load bus. Then, after fixing the problem, the system returns to the active power generation mode as before. To evaluate the performance of the proposed fuzzy controller, different modes are simulated with EMTDC/PSCAD software to prove the ability of the controller to improve the stability of the power system. The results confirm that the PV-STATCOM with the proposed controller can improve the dynamic performance of the system.

 

Keywords: photovoltaic system, smart control, static compensator mode, voltage stability

 

Received: 22 January 2023

Revised: 1 March 2023

Accepted: 22 April 2023

 

Corresponding Author: Dr. Alireza Solat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Citation: A. Dalirian, A.R. Solat, S.M.J. Rastegar-Fatemi, "Smart control of photovoltaic static compensator system based on fuzzy logic control to improve voltage stability", Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 15, no. 60, pp. 119-134, March 2025 (in Persian).

https://dorl.net/dor/20.1001.................................

مقاله پژوهشی

 

کنترل هوشمند سیستم جبران­کننده استاتیکی فتوولتائیک بر پایه منطق فازی به‌منظور بهبود پایداری ولتاژ

 

علی دلیریان، دانشجوی دکتری، علیرضا صولت، استادیار، سید محمدجواد رستگارفاطمی، استادیار

 

دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر- واحد ساوه، دانشگاه آزاد اسلامی، ساوه، ایران

iranvolta.co@gmail.com, alireza.solat@iau.ac.ir, rastegar.fatemi@gmail.com

 

چكيده: این مقاله یک کنترل فازی جدید برای سیستم فتوولتائیک مبتنی بر جبران­کننده سنکرون استاتیکی (PVSTATCOM) به­منظور بهبود پایداری ولتاژ پیشنهاد می‌کند. سیستم پیشنهادی وظیفه کنترل ولتاژ دینامیکی سیستم خورشیدی PV متصل شده به باس بار را در حالت­های عملیاتی مختلف به عنوان STATCOM و/یا تولید توان اکتیو PV بر عهده دارد. در این استراتژی، هنگام بروز اختلال، کنترل­کننده فازی پیشنهادی با تشخیص آن و با توجه به شدت اغتشاش، در صورت عدم وجود یا ناکافی بودن ظرفیت باقیمانده اینورتر برای جبران­سازی توان راکتیو، تولید توان اکتیو سیستم خورشیدی را متوقف می‌کند و از اینورتر آن به­طور کامل به عنوان STATCOM، برای تنظیم ولتاژ در باس بار، استفاده می‌کند. پس از رفع اختلال، سیستم به حالت تولید توان اکتیو مانند قبل از اختلال باز می‌گردد. برای ارزیابی عملکرد کنترل‌کننده فازی پیشنهادی، حالت‌های مختلفی با نرم­افزار EMTDC/PSCAD شبیه‌سازی شده‌اند تا توانایی کنترل‌کننده برای بهبود پایداری سیستم قدرت را به اثبات برسانند. نتایج تأیید می‌کند که PV- STATCOM با کنترل­کننده پیشنهادی می‌تواند عملکرد دینامیکی سیستم را بهبود بخشد.

 

کلمات کلیدی: پایداری ولتاژ، حالت جبران­کننده استاتیکی، سیستم فتوولتائیک، کنترل هوشمند

 

تاریخ ارسال مقاله: 2/11/1401

تاریخ بازنگری مقاله: 10/12/1401

تاریخ پذیرش مقاله: 2/2/1402 

 

نام نویسنده­ی مسئول: دکتر علیرضا صولت

نشانی نویسنده­ی مسئول: ساوه- دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساوه- دانشکده فنی مهندسی- گروه برق قدرت

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1- مقدمه

به دلایل زیست­محیطی، اقتصادی و فنی، استفاده از انرژی­های تجدیدپذیر1 برای تولید برق به سرعت در حال افزایش است. منابع انرژی تجدیدپذیر برخلاف سوخت­های فسیلی بی پایان هستند و برای سالیان متمادی و نسل­های آینده قابل استفاده خواهند بود. در میان انرژی‌های تجدیدپذیر، سیستم‌های خورشیدی فتوولتائیک2 (PV) متصل به شبکه سریع‌ترین شتاب رشد را دارند [1-3]. ورود مزارع فتوولتائیک3 به سیستم قدرت مزایای زیادی دارد. با توجه به نتایج مطالعات محققین در رابطه با ادغام سیستم­های PV در شبکه، بررسی و تحلیل رابطه بین حضور گسترده این منابع و مشکل پایداری سیستم قدرت ضروری به‌ نظر می‌رسد [4-7].

در میان مسایل پایداری، ناپایداری ولتاژ4 یکی از نگرانی­های اصلی سیستم قدرت بوده است. ثابت شده است که جبران ناکافی توان راکتیو در شرایط عملیاتی می‌تواند منجر به ناپایداری ولتاژ شود و یا به عبارت دیگر، ناپایداری ولتاژ در سیستمی رخ می‌دهد که در آن در هنگام بارگذاری سنگین5 و اختلالاتی مانند خطاها، توان راکتیو کم است [8-13]. کنترل ولتاژ و جبران­سازی توان راکتیو دو عملکرد مهم در مورد کنترل‌کننده‌های سیستم­های انتقال انعطاف­پذیر متناوب6 (FACTS) در سیستم‌های قدرت مدرن هستند. جبران‌کننده سنکرون ایستا7 (STATCOM) یکی از جبران­سازهای موازی8 FACTS است که دارای مزیت­هایی مانند، قابلیت تزریق و جذب توان راکتیو به همراه پاسخ دینامیکی بسیار سریع است و می‌تواند نقش مهمی را در جبران­سازی توان راکتیو9 داشته باشد [14].

از چند سال گذشته، دانشمندان و مهندسان در حال تحقیق در جهت چگونگی استفاده از اینورتر سیستم­های خورشیدی فعلی برای استفاده به عنوان تنظیم­کننده ولتاژ مانند STATCOM، برای تنظیم ولتاژ شبکه بودند. با اضافه­کردن کنترل­کننده­های اضافی به کنترل­کننده­های متداول در سیستم خورشیدی فتوولتائیک می‌توان از آن  به عنوان STATCOM استفاده کرد. بنابراین مزرعه­های خورشیدی فتوولتائیک می‌تواند در شبکه توزیع، ولتاژ باسی که به آن متصل است را مانند STATCOM تنظیم کند، از این­رو به آن سیستم، فتوولتائیک مبتنی بر جبران­کننده سنکرون استاتیکی10 (PV-STATCOM) نیز می‌گویند [15]. استفاده از مزارع خورشیدی فتوولتائیک به عنوان STATCOM در مرجع [16] پیشنهاد شده است.

با تغییرات بار، نوسانات دینامیکی در سیستم قدرت نیز افزایش می‌یابد. این نوسانات ممکن است در باس بار یا در یک نیروگاه رخ دهد. نوسانات دینامیکی توسط سیستم­های کنترل مانند تثبیت­کننده سیستم قدرت11 (PSS) و سیستم کنترل فرکانس، در صورت رخ دادن نوسانات حل می شود، اما زمانی که نوسانات با دامنه زیاد در سیستم قدرت رخ می‌دهد، علاوه بر کنترل کننده­های قدرت، وجود تجهیزات دیگر برای بهبود پایداری دینامیکی11 بسیار موثر است [17]. کاهش اضافه ولتاژ لحظه­ای12 (TOV) توسط PV-STATCOM در حضور خطاهای نامتقارن در مرجع [18] ارائه شده است. کاهش میرایی نوسان قدرت13 (POD) توسط PV-STATCOM در چندین سیستم قدرت در مرجع [19] بررسی شده است. تأثیر PV-STATCOM در کاهش رزونانس زیر سنکرون14 (SSR) در یک توربین بخار هنگامی که خط انتقال با خازن سری جبران می‌شود نیز در مرجع [20] نشان داده شده است.

در این مقاله یک کنترل هوشمند بر پایه منطق فازی برای کنترل سیستم PV-STATCOM به­منظور حفظ پروفایل ولتاژ باس بار در محدوده مجاز در شرایط اغتشاشات دینامیکی بار15 ارائه گردیده و عملکرد آن با کنترل­کننده­های متداول مقایسه و ارزیابی شده است. برای این منظور عملکرد نیمه STATCOM که مطالعات کمتری روی آن انجام شده با تولید پیوسته توان اکتیو و راکتیو به­صورت بهینه توسط کنترل فازی، مورد توجه قرار گرفته است. در این استراتژی، هنگام بروز اغتشاشات، کنترل­کننده فازی پیشنهادی آن را تشخیص و با توجه به شدت آن میزان توان راکتیو و اکتیو تزریقی به سیستم را تعیین می‌کند. ضمن این­که در صورت عدم وجود یا ناکافی بودن ظرفیت باقیمانده اینورتر به­منظور جبران­سازی توان راکتیو، تولید توان اکتیو سیستم خورشیدی را متوقف می‌کند و با تغییر حالت کارکرد سیستم خورشیدی، از کل ظرفیت اینورتر به عنوان STATCOM، برای تنظیم ولتاژ در باس بار، استفاده می‌کند. پس از رفع اختلال، سیستم خورشیدی به حالت تولید توان اکتیو مانند قبل از اختلال باز می‌گردد. ادامه این مقاله به این شرح است .سیستم قدرت مورد مطالعه در بخش دوم شرح داده شده است. در بخش سوم ساختمانPV-STATCOM  تشریح شده است. کنترل­کننده فازی پیشنهادی در بخش چهارم ارائه گردیده است. کارایی کنترل­کننده فازی پیشنهادی از طریق شبیه­سازی در نرم­افزار PSCAD / EMTDC در بخش پنجم تأیید می‌شود. نتیجه­گیری در بخش ششم بیان شده است.

 

2- سیستم مورد مطالعه

شکل (1) نمودار تک خطی سیستم قدرت مورد مطالعه را نشان می‌دهد. یک سیستم خورشیدی PV مجهز به اینورتر سه فاز ولتاژی16 (VSI) بر پایه IGBT و با ظرفیت نامی 5/4 کیلووات با قابلیت استفاده به­صورت PV-STATCOM، به باس بار متصل است. با استفاده از کنترل هوشمند فازی پیشنهادی و با توجه به نیاز سیستم قدرت، سیستم خورشیدی فتوولتائیک در سه حالت PV، نیمه  STATCOM و STATCOM مورد بهره برداری قرار می‌گیرد تا بتواند ولتاژ باس بار را در بارگذاری های مختلف در شرایط ایده­آل نگه دارد. یک بار ثابت با مقدار 25 کیلووات و یک بار متغیر با پله­های مختلف به عنوان اغتشاش در بازه زمانی 5/4-2 ثانیه به باس بار متصل می‌شود. مدل تونن یک شبکه بزرگ به­صورت یک ژنراتور مدل شده است که با یک امپدانس اتصال بالا به باس متصل شده و سیستم فتوولتائیک هم به­صورت محلی با بار کار می‌کند.

 

img0 

شکل (1): مدلسازی سیستم مطالعه با کنترل­کننده فازی پیشنهادی

Figure (1): Modeling of study system with proposed fuzzy controller

 

3- واحدهای کنترل سیستم فتوولتائیک مبتنی بر جبران­کننده سنکرون استاتیکی

شکل (1) واحدهای کنترل سیستم PV-STATCOM را نشان می‌دهد. سیستم PV-STATCOM شامل پنل­های PV، اینورتر، فیلتر و واحد کنترل است. سیستم کنترل شامل کنترل­کننده ولتاژ ac، کنترل­کننده ولتاژ dc، کنترل­کننده جریان17 و بلوک­های دیگر است که در نهایت پالس­های اینورتر را فراهم می‌کند [7]. وظیفه کنترل حالت­های عملکرد PV-STATCOM بر عهده کنترل­کننده هوشمند فازی است. واحدهای کنترل در ادامه اشاره شده است.

 

3-1- کنترل­کننده جریان

اجزای کنترل­کننده جریان در شکل (2) نشان داده شده است. ولتاژ باس بار و ولتاژ لینک DC اینورتر به­طور پیوسته اندازه­گیری و با مقدار مرجع خود مقایسه می‌شوند و مقادیر مرجع Id-ref و Iq-ref به عنوان ورودی کنترل­کننده جریان، تولید می‌شوند. با مقایسه Id و Iq با این مقادیر، سیگنال­های خطا به­دست می‌آیند. این سیگنال­ها از یک کنترل­کننده متناسب-انتگرال­گیر (PI) عبور می‌کنند [22-24] و در نهایت پارامترهای md و mq به­دست می‌آیند، به عبارت دیگر مشخصات ولتاژ باس بار و ولتاژ DC تولید شده توسط پنل­های خورشیدی با عبور از کنترل­کننده، تعیین کننده مشخصات سیگنال مرجع18  mdو mq هستند. پس از تبدیل سیگنال­های مرجع در چارچوب dq به سیگنال­های سه فاز mabc، این سیگنال­ها برای تولید پالس­های IGBT، با سیگنال حامل مقایسه می‌شود [7،25،26]. فرکانس موج حامل، فرکانس کلیدزنی IGBT-های اینورتر را تعیین می‌کند. این فرکانس برای اینورترهای منبع ولتاژی عموماً بین 2 کیلوهرتز تا 15 کیلوهرتز انتخاب می‌شود ]32[. مقدار فرکانس موج حامل تاثیری بر عملکرد کنترل­کننده PV-STATCOM ندارد بلکه تاثیر آن بر روی تلفات کلیدزنی و همچنین ایجاد هارمونیک در شکل موج جریان و ولتاژ خروجی اینورتر است که برای حذف آن از فیلتر در خروجی اینورتر، قبل از اتصال به باس بار استفاده می‌گردد. در این مقاله به­منظور کاهش تلفات کلیدزنی فرکانس موج حامل ۵ کیلوهرتز ]18[ در نظر گرفته شده است. کنترل جریان وظیفه تنظیم سطح ولتاژ خروجی اینورتر را بر عهده دارد. توان اکتیو و راکتیو خروجی سیستم­های PV-STATCOM در چارچوب dq به شرح زیر است ]18[:

img0(1) ‌                                                                                       

img0 (2) ‌  ‌‌

که در آن iodq و vLB-dq به ترتیب جریان خروجی سیستم PV-STATCOM و ولتاژ باس بار در چارچوب dq هستند. توان اکتیو خروجی اینورتر توسط iod و توان راکتیو خروجی توسط ioq کنترل می‌شوند [18،21].

img0 

شکل (2):  بلوک کنترل جریان

Figure (2): Current-control block

به دلیل کم بودن جریان فیلتر موازی، جریان خروجی سیستم PV-STATCOM برابر با جریان اینورتر در نظر گرفته می‌شود. در سمت AC اینورتر سه فاز داریم:

img0                                                                                                                                          (3) 

ولتاژ سمت AC اینورتر به­صورت زیر کنترل می‌شود:

img0      (4)                                                                                                                     

به­طوری که Vdc و mabc به ترتیب ولتاژ باس DC و شاخص مدولاسیون هستند. بنابراین، جریان اینورترها در چارچوب dq عبارتند از:

img0                                                        (5)

img0                                                        (6)

به­طوری که Vlb_dq ولتاژ باس بار، Iinv,dq  جریان اینورتر، Vdc  ولتاژ باس dc و mdq  شاخص‌های مدولاسیون در چارچوب dq هستند [21]. به‌منظور خطی‌کردن (5) و (6):

img0                                                                                                                                      (7)

img0                                                                                                                            (8)

شاخص‌های مدولاسیون به‌صورت زیر به­دست می‌آید:

img0                                                                                                               (9) 

img0 (10)                                                                                                              

  پس از تبدیل به چارچوب سه ‌فاز abc، md و mq با سیگنال حامل برای تولید پالس‌های IGBT مقایسه می‌شوند [21].

 

3-2-کنترل‌کننده ولتاژ DC

شکل (3) کنترل‌کننده ولتاژ dc را نشان می‌دهد. با استفاده Ipv  و Vdc  به عنوان ورودی کنترل­کننده، Vdc_ref  توسط بلوک ردیابی نقطه حداکثر توان19 (MPPT) تولید می‌شود. این مقدار با Vdc مقایسه شده و یک سیگنال خطا تولید می‌کند که پس از عبور از کنترل‌کننده PI جریان Iq_ref را  تولید می‌کند [20].

 

3-3-کنترل‌کننده ولتاژ

کنترل‌کننده ولتاژ دارای سه حالت عملیاتی به‌صورت زیر است:

1) حالت PV: این حالت عملکرد عادی سیستم PV است و ولتاژ  باس بار در محدوده قابل قبولی قرار دارد و نیازی به جبران توان راکتیو نیست، این حالت با سوئیچ کلیدهای S1 و S2 به موقعیت B فعال می‌شود ]18[.

2) حالت STATCOM: این حالت عملکردی برای کنترل سطح ولتاژ در باس بار استفاده می‌شود [21]. برای تبادل توان راکتیو بین اینورتر و شبکه زمانی که اتصال بین پنل‌ها و اینورتر قطع می‌شود استفاده می‌شود. این حالت با تغییر "S1" به موقعیت "A" فعال می‌شود.

3) حالت نیمهSTATCOM : این حالت عملیاتی برای کنترل ولتاژ زمانی که پنل‌ها به اینورتر متصل هستند و از ظرفیت باقیمانده اینورتر برای جبران توان راکتیو در باس بار استفاده می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این حالت با تغییر "S1" به موقعیت "B" و "S2" به موقعیت "A" فعال می‌شود [24].

img0 

شکل (3): واحد کنترل ولتاژ DC

Figure (3): DC voltage control unit

 

img0 

شکل (4): واحد کنترل ولتاژ

Figure (4): Voltage control unit

 

در نهایت، با توجه به حالت انتخاب شده توسط کنترل فازی، جریان Id_ref ایجاد می‌گردد. در شکل (4) واحد کنترل ولتاژ سیستم PV-STATCOM نشان داده شده است.

 

4-کنترل هوشمند پیشنهادی 

همان‌طور که در شکل (5) مشاهده می‌شود، ساختار کنترل‌کننده پیشنهادی که مبتنی بر منطق فازی است، به چهار بخش فازی‌سازی، قوانین، سیستم استنتاج و برگرداندن از فازی طبقه‌بندی می‌شود. رابط­های فازی ورودی‌هایی را که توسط مکانیزم استنتاج استفاده می‌شود، فازی می‌کنند و یک مقدار عضویت را به تابع عضویت20 در محدوده سیگنال ورودی اختصاص می‌دهد. سیستم استنتاج فازی21 مبتنی بر ممدانی در جعبه ابزار منطق فازی مبتنی بر رابط کاربری گرافیکی موجود در متلب ساخته شده و با استفاده از مرجع ]27 [در نرم افزار PSCAD/EMTDC پیاده‌سازی گردیده است. قوانین فازی از تجربیات عملی به‌منظور دستیابی به حداکثر عملکرد برای سیستم تعریف شده ‌است. قوانین فازی به شکل IF (شرط) و  THEN(عمل) نوشته می‌شوند. در نهایت با توجه به قوانین تعریف شده در پایگاه قوانین، برای مقادیر ورودی، تصمیم‌گیری می‌شود. تمام توابع عضویت مورد استفاده برای این شبیه‌سازی از نوع مثلثی هستند.

در ادامه کنترل هوشمند فازی به‌منظور انتخاب حالت‌های عملکردی مختلف PV-STATCOM برای تنظیم ولتاژ باس بار معرفی می‌گردد. کنترل‌کننده فازی دو ورودی خطا  (e)و مشتق خطا  (de)رابه عنوان ورودی [28] دریافت می‌کند. خروجی کنترل­کننده برحسب درصد خطا است که در قسمت فرآِیند تبدیل به سیگنال‌های صفر و یک برای تغییر وضعیت کلیدها می‌گردد. کنترل­کننده پیشنهادی در شکل (6) نشان داده شده است.

img0 

                                                                       شکل (5): ساختار کلی کنترل‌کننده فازی

Figure (5): General structure of the fuzzy controller

 

img0 

                                                                               شکل (6): ساختار کنترلر پیشنهادی

                                                                                    Figure (6): Structure of the proposed controller

 

ابتدا ولتاژ در باس بار با ولتاژ مرجع مقایسه می‌گردد و سیگنال خطای e به­دست می‌آید. با توجه به مقدار سیگنال به­دست آمده، کنترل هوشمند فازی وظیفه انتخاب عملکرد سیستم خورشیدی را بین سه حالت (PV، نیمه STATCOM یا STATCOM) بر عهده دارد. در شرایطی که هیچ اختلالی (بار زیاد، خطا و غیره) وجود ندارد و نیازی به جبران توان راکتیو نیست، کنترل هوشمند سیستم را در حالت PV قرار می‌دهد. ظرفیت باقیمانده اینورتر22 (Qrem) بر اساس تابش خورشید با توجه به رابطه (11) در هر مرحله محاسبه می‌شود ]29-31[.   

img0 (11)                                                                                                        

که در آن Sinv, Pinv, Qinv به ترتیب توان ظاهری، اکتیو و راکتیو اینورتر هستند. اگر اغتشاش یا افت ولتاژ به‌حدی باشد که توان راکتیو مورد نیاز کمتر از Qrem باشد (یعنی Qrequired < Qrem)، کنترل هوشمند سیستم را در حالت نیمه STATCOM قرار می‌دهد و بدون ایجاد وقفه در تولید توان اکتیو، از ظرفیت باقیمانده آنها برای جبران توان راکتیو استفاده می‌شود. اگر اختلال به‌حدی باشد که توان راکتیو مورد نیاز بیشتر از ظرفیت باقیمانده سیستم‌ها باشد (Qrequired > Qrem)، سیستم باید در حالت STATCOM قرار بگیرد، با جدا کردن پنل‌های خورشیدی از اینورترها توسط کنترل هوشمند، کل ظرفیت اینورترها برای کنترل ولتاژ باس بار استفاده می‌شود (Qinv=Sinv). همچنین قوانین منطق فازی استفاده شده در کنترل­کننده به‌صورت زیر آورده شده و در آن با توجه به شرایط ورودی‌ها، خروجی مشخص می‌گردد:

Rule 1             IF (e is "ZE") AND (de/dt is "ZE") THEN (output is "P")

Rule 2             IF (e is "ZE") AND (de/dt is "Low") THEN (output is "P")

Rule 3             IF (e is "High") AND (de/dt is "High") THEN (output is "S")

Rule 4             IF (e is "ZE") AND (de/dt is "High") THEN (output is "P")

Rule 5             IF (e is "High") AND (de/dt is "Low") THEN (output is "S")

Rule 6             IF (e is "Low") AND (de/dt is "ZE") THEN (output is "PS")

Rule 7             IF (e is "Low") AND (de/dt is "Low") THEN (output is "PS")

Rule 8             IF (e is "High") AND (de/dt is "ZE") THEN (output is "S")

Rule 9             IF (e is "Low") AND (de/dt is "High") THEN (output is "PS")

به‌طوری که در آن  ZE, Low, High به ترتیب بیانگر میزان جبران‌سازی صفر، کم، زیاد است و S، PS و P نیز به ترتیب بیانگر حالت‌های عملکردی کنترل­کننده یعنی سه حالت PV، نیمه STATCOM و STATCOM هستند. در شکل (7) توابع عضویت ورودی و خروجی و همچنین منحنی سطح کنترل‌کننده فازی که می‌توان از آن مقدارخروجی کنترل‌کننده در حالت‌های مختلف ورودی به­دست آورد و رفتار کنترل­کننده را بررسی کرد، آورده شده است.

img0 img0

                                      (الف) تابع عضویت ورودی (e)                                (ب) تابع عضویت ورودی  (de) 

 img0img0

                                         (ج)تابع عضویت خروجی                                (د)منحنی سطح کنترل‌کننده فازی

شکل (7): توابع عضویت ورودی و خروجی به همراه منحنی سطح کنترل­کننده فازی

Figure (7): Input and output membership functions along with the surface curve of the fuzzy controller, (a) Input membership function (e), (b) Input membership function (de), (c) Output membership function, (d) Fuzzy controller surface curve

 

5- نتایج و بحث

در این بخش، عملکرد کنترل هوشمند فازی پیشنهادی به‌منظور بهبود پایداری ولتاژ ارائه شده است. مدل سیستم مورد مطالعه در نرم افزار PSCAD/EMTDC در شکل (8) نشان داده شده است. همچنین نتایج به شرح زیر مورد بررسی قرار گرفته است.

 

5-1- عملکرد کنترل­کننده هوشمند فازی در بارهای مختلف

در این بخش عملکرد کنترل هوشمند در سیستم مورد مطالعه در بارهای مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرد. در حالت اول، یک بار 25 کیلوواتی به باس بار متصل است، ولتاژ در محدوده مناسب قرار دارد و سیستم خورشیدی توان اکتیو 5/4 کیلووات را تولید می‌کند و نیازی به جبران‌سازی نیست، نتایج در شکل (9) نشان داده شده است. اکنون علاوه بر بار 25 کیلووات، بارهای 5 کیلووار و 9 کیلووار به ترتیب در بازه زمانی 5/4-2 ثانیه به باس بار متصل می‌شوند. در مرحله اول با اتصال بار 5 کیلووار، کنترل هوشمند با توجه به قوانین خود، سیستم را در حالت نیمه STATCOM قرار می‌دهد که پاسخ‌های این مرحله در شکل (10) نشان داده شده است. شکل (10-الف) تا (10-د) به ترتیب مقدار پریونیت ولتاژ باس بار بدون استفاده از کنترل‌کننده فازی پیشنهادی، ولتاژ با استفاده از کنترل پیشنهادی، توان اکتیو و راکتیو تولیدی توسط سیستم PV-STATCOM در بازه زمانی 1 تا 7 ثانیه هستند. همان‌طور که در شکل (10-الف) ملاحظه می‌شود با اضافه شدن بار 5 کیلووار در لحظه 2t= ثانیه، میزان دامنه ولتاژ از مقدار 1 پریونیت به 94/0 پریونیت افت می‌کند. کنترل‌کننده فازی پیشنهادی با تشخیص افت ولتاژ و با توجه به این‌که سیستم خورشیدی در حداکثر تولید توان اکتیو خود نمی‌باشد، سیستم را در حالت نیمه STATCOM قرار می‌دهد و از ظرفیت باقیمانده اینورتر سه فاز برای تولید توان راکتیو استفاده می‌کند و با تزریق 5/2 کیلوار توان راکتیو به باس بار سیستم، ولتاژ را به مقدار 1 پریونیت باز می‌گرداند. در مرحله دوم با اتصال بار به مقدار 9 کیلووار در لحظه 2 ثانیه به باس بار، کنترل هوشمند فازی پیشنهادی، سیستم فتوولتائیک خورشیدی را به حالت عملکردی STATCOM تغییر می‌دهد، نتایج شبیه‌سازی در این مرحله، در شکل (11) نشان داده شده است. با توجه به خروجی‌های این مرحله که در شکل‌های (11-الف) تا (11-د) آورده شده است، مشاهده می‌شود که با وصل بار 9 کیلووار ولتاژ باس بار به مقدار 88/0 پریونیت کاهش می‌یابد. در این حالت میزان افت ولتاژ به قدری است که ظرفیت باقیمانده سیستم خورشیدی قادر به جبران‌سازی آن نیست. در این­صورت کنترل فازی با قطع ارتباط بین پنل‌های خورشیدی و اینورتر، از کل ظرفیت اینورتر برای جبران‌سازی توان راکتیو باس بار استفاده می‌کند و با تزریق توان راکتیو به میزان 5/4 کیلووار باعث بازیابی ولتاژ باس بار می‌گردد.

در حالت کلی و با توجه به شبیه­سازی می­توان به­صورت زیر نتایج را بیان کرد:

الف- زمان کمتر از 2 ثانیه: سیستم در همه حالت‌ها به‌طور معمول کار می‌کند، ولتاژ در باس بار 1 پریونیت است. تولید توان راکتیو در این بازه زمانی صفر است.

 

img0 

(الف) سیستم قدرت

img0 

(ب) واحد­های کنترل جبران­کننده استاتیکی فتوولتائیک به همراه کنترل پیشنهادی فازی

شکل (8): مدل سیستم مورد مطالعه در نرم افزار PSCAD/EMTDC

Figure (8): Model of the study system in PSCAD/EMTDC, (a) Power system, (b) PV-STATCOM control units with proposed fuzzy control

 

       img0 img0

                            (الف) ولتاژ باس بار                                                                        (ب) توان اکتیو و راکتیو 

شکل (9): ولتاژ باس بار و توان اکتیو/راکتیو سیستم خورشیدی 

Figure (9): Load bus voltage and active/reactive power of the solar system (a) Load bus voltage, b) Active and reactive power

 

img0    img0

              (الف) ولتاژ باس بار بدون کنترل‌کننده                                            (ب) ولتاژ باس بار با کنترل‌کننده                                  

img0  img0

          (ج) توان اکتیو سیستم خورشیدی با کنترل‌کننده                      (د) توان راکتیو سیستم خورشیدی با کنترل‌کننده

شکل (10): پاسخ های سیستم در حالت نیمه STATCOM 

Figure (10): System responses (a) Load bus voltage without control, (b) Bus load voltage with controller, (c) Active power of system with controller, (d) Reactive power of system with controller

 

Table (1): The results of overshoot and sitting time

جدول (1): نتایج اورشوت و زمان نشست

اورشوت (درصد)

زمان نشست (ثانیه) 

بارمتغییر

نوع سیستم

حالت

0

0

0

سیستم در حالت PV

1

4

5/0

5 کیلووار

سیستم در حالت نیمه STATCOM

2

10

3/1

9 کیلووار

سیستم در حالت STATCOM

3

 

ب- زمان بین 2 الی 5/4 ثانیه: با اتصال بارهای 5 کیلووار و 9 کیلووار به باس بار در بازه زمانی 5/4-2 ثانیه، در هر حالت متناسب با بارها، افت ولتاژ در باس بار ایجاد می‌شود و ولتاژها به ترتیب به 94/0 پریونیت و  88/0 پریونیت کاهش می‌یابند. کنترل­کننده افت ولتاژ باس بار را در هر حالت تشخیص داده و با توجه به توان راکتیو مورد نیاز آن را جبران می‌کند و سیستم خورشیدی (مطابق توضیحات فوق) را به حالت نیمه STATCOM و STATCOM تغییر می‌دهد. با تزریق توان راکتیو به باس بار، ولتاژ به محدوده‌های قابل قبول باز می‌گردد.

ج- زمان بیشتر از 5/4 ثانیه: بار بزرگ قطع شده و نیازی به جبران‌سازی توان راکتیو نیست. مقدار ولتاژ سیستم به شرایط قبل از اختلال باز می‌گردد. مشاهده می‌شود که با افزایش بار و ایجاد افت ولتاژ و تشخیص آن توسط کنترل هوشمند، با تزریق توان راکتیو مورد نیاز ولتاژ با اورشوت و زمان نشست به مقدار قابل قبول و پایدار خود می‌رسد. می‌توان نتیجه گرفت که افت ولتاژ و توان راکتیو بیشتر تزریق شده به باس بار، اورشوت و زمان نشست بیشتری را به همراه دارد. نتایج اورشوت و زمان نشست در همه حالت‌ها در جدول (1) ارائه شده است. 

در ادامه جبران­سازی توان راکتیو باس بار، با استفاده از کنترل هوشمند فازی و کنترل­کننده متداول PV-STATCOM، از نظر میزان توان راکتیو تزریق شده و همچنین مقدار اورشوت23 و زمان نشست24 ولتاژ در بار یکسان 5 کیلووار، با یکدیگر مقایسه شده است. نتایج در شکل (12) نشان داده شده است. با توجه به نتایج، برای جبران­سازی توان راکتیو باس بار توسط کنترل هوشمند پیشنهادی فازی در مقایسه با کنترل­کننده­های متداول، مشاهده می‌‌شود که در حالت کنترل فازی ولتاژ با اورشوت کمتری همراه است، همچنین با زمان نشست کوتاه­تر به مقدار پایدار خود می‌رسد. به عبارت دیگر مقدار اورشوت و زمان نشست تا 50 درصد کاهش می‌یابد. از نظر میزان توان راکتیو تزریق شده به باس بار نیز مشاهده می‌شود که در حالت کنترل فازی ظرفیت کمتری از اینورتر برای جبران­سازی استفاده می‌شود. نتایج عددی در جدول (2) آمده است.

 

img0 img0

                          (الف) ولتاژ باس بار بدون کنترل‌کننده                                        (ب) ولتاژ باس بار با کنترل‌کننده

img0img0 

            (ج) توان اکتیو سیستم خورشیدی با کنترل‌کننده                         (د) توان راکتیو سیستم خورشیدی با کنترل‌کننده

شکل (11): پاسخ های سیستم در حالت STATCOM 

Figure (11): System responses (a) Load bus voltage without control, (b) Bus voltage with controller, (c) Active power of solar system with controller, (d) Reactive power of solar system with controller

 

Table (2): Overshoot and settling time of voltage in load bus for PV-STATCOM system

جدول (2): اورشوت و زمان نشست ولتاژ در باس بار برای سیستم جبران­کننده استاتیکی فتوولتائیک

زمان نشست (ثانیه)

اورشوت (درصد)

نوع کنترل­کننده

0/1

8

کنترل­کننده متداول

5/0

4

کنترل­کننده فازی پیشنهادی

img0img0 

             (الف) ولتاژ باس بار با کنترل هوشمند فازی پیشنهادی       (ب) ولتاژ باس بار با کنترل‌کننده متداول جبران­کننده استاتیکی فتوولتائیک 

img0img0 

          (ج ) توان راکتیو سیستم خورشیدی با کنترل فازی                      (د) توان راکتیو سیستم خورشیدی با کنترل متداول

شکل (12): مقایسه پاسخ‌ها

Figure (12): Comparison of responses (a) Load bus voltage with proposed smart fuzzy control, (b) Load bus voltage with conventional PV-STATCOM controller, (c) Reactive power of solar system with fuzzy control, (d) Reactive power of solar system with conventional control

 

5-2- تحلیل حساسیت

مهمترین هدف از تحلیل حساسیت تعریف یک شاخص پایداري و چگونگی تأثیر پارامترهاي مورد بررسی بر این شاخص است. با استفاده از تجزیه و تحلیل حساسیت می‌توان اطلاعات خوبی را در خصوص رابطه بین مدهای کنترلی و متغییرهای مورد بررسی در پایداری سیستم به­دست آورد. در این مقاله از نسبت تغییرات ولتاژ به تغییرات توان راکتیو تزریق شده به باس بار برای محاسبه ضریب حساسیت استفاده شده است. داده‌های مربوط به تحلیل حساسیت در باس بار تحت شرایط مختلف بارگذاری، برای هر حالت کنترل، در جدول (3) آمده و همچنین نمودار ضریب حساسیت در شکل (13) رسم شده است. 

همان­طور که در جدول (3) ملاحظه می‌شود، علاوه بر بار ثابت اهمی 25 کیلووات، بار سلفی به­صورت پله­های 10 درصدی به سیستم وارد می‌گردد.

 

Table (3): Sensitivity analysis in load bus

جدول (3): تحلیل حساسیت در باس بار 

حالت کارکرد

ضریب حساسیت (ΔV/ΔQ)

ΔV (pu)

ΔQ (pu)

ΔP (pu)

شرایط بار متغیر

نیمه STATCOM

11/0

011/0

1/0

9/0

بار سبک

12/0

024/0

2/0

8/0

1233/0

037/0

3/0

7/0

125/0

05/0

4/0

6/0

128/0

064/0

5/0

5/0

STATCOM

135/0

081/0

6/0

0

بار سنگین

13570/0

095/0

7/0

0

13625/0

109/0

8/0

0

1389/0

125/0

9/0

0

img0 

                                                               شکل (13): نمودار ضریب حساسیت باس بار

                                                                           Figure (13): Load bus sensitivity coefficient chart                 

 

فرض می‌شود که در هر پله با کاهشی به میزان 10 درصد از ظرفیت تولید توان اکتیو سیستم خورشیدی، این ظرفیت به عنوان ظرفیت آزاد شده برای تولید توان راکتیو مورد استفاده قرار گیرد. در هر مرحله با تزریق توان راکتیو به باس بار تغییرات ولتاژ و به طبع آن ضریب حساسیت محاسبه می‌گردد. با در نظر گرفتن این­که در طول روز تولید توان اکتیو سیستم به دلیل میزان تابش خورشید کمتر از پنجاه درصد نمی‌شود، در صورت اضافه شدن بیشتر بار، ظرفیت باقیمانده سیستم خورشیدی در حالت نیمه STATCOM قادر به تامین توان راکتیو بیشتر نیست، در این حالت با قطع ارتباط پنل­های خورشیدی با اینورتر سه فاز توسط کنترل هوشمند پیشنهادی، تولید توان اکتیو سیستم به صفر می‌رسد و سیستم به حالت STATCOM تغییر می‌کند. با توجه به تعریف، سیستمی از نظر ولتاژ پایدار است که حساسیت V-Q آن برای هر باس مثبت باشد و ناپایدار است اگر این حساسیت برای باس منفی شود، پس با توجه به مقادیر به­دست آمده برای ضریب حساسیت، شرط پایداری برای سیستم مورد بررسی صدق می‌کند ]31[.

 

6- نتیجه‌گیری

این مقاله یک کنترل هوشمند فازی برای سیستم PV-STATCOM با عملکرد 24 ساعته برای بهبود پایداری ولتاژ سیستم قدرت پیشنهاد می‌کند. برای این منظور یک سیستم خورشیدی با قابلیت کنترل به­صورت PV-STATCOM به باس بار متصل گردید. کنترل­کننده فازی که یک کنترل­کننده نرم است، به­طور هوشمندانه عملکرد سیستم فتوولتائیک خورشیدی را در سه حالت PV، نیمه STATCOM و STATCOM انجام می‌دهد و با تزریق توان راکتیو باعث تنظیم ولتاژ در باسی که به آن متصل شده است، می­گردد. با توجه به نتایج شبیه­سازی ملاحظه می‌شود که کنترل­کننده فازی پیشنهادی در مقایسه با کنترل­کننده­های متداول به لحاظ دینامیکی (اورشوت و زمان نشست) و استاتیکی (میزان تولید توان راکتیو) عملکرد بهتری را دارد. همچنین با تحلیل حساسیت صورت گرفته برای باس بار، پایداری سیستم قدرت در شرایط و حالت­های مختلف کاری با تمرکز بر روی تولید بهینه توان اکتیو و راکتیو، به اثبات رسید. به­کارگیری این ایده برای منابع انرژی تجدیدپذیر مبتنی بر اینورتر به ما این امکان را می‌دهد تا کیفیت توان را با استفاده از زیرساخت­های موجود، با هزینه کمتر و بدون استفاده از دستگاه­­های FACTS بهبود دهیم.

 

References

مراجع

[1] M. Ocak, Z. Ocak, S. Bilgen, S. Keleş, K. Kaygusuz, “Energy utilization, environmental pollution and renewable energy sources in turkey”, Energy Conversion and Management, vol. 45, no. 6, pp. 845–864, April 2004 (doi: 10.1016/S0196-8904 (03) 00192-4).

[2] M.A.H. Rafi, T. Vo, P.H. Nguyen, “Effective integration of large‐scale wind power using PV‐STATCOM”, The Journal of Engineering, vol. 2019, no. 18, pp. 5303–5307, July 2019 (doi: 10.1049/joe.2018.9232).

[3] C. Magazzino, P. Toma, G. Fusco, D. Valente, I. Petrosillo, “Renewable energy consumption, environmental degradation and economic growth: the greener the richer”, Ecological Indicators, vol. 139, Article Number: 108912, June 2022 (doi: 10.1016/j.ecolind.2022.108912).

[4] R.K. Varma, M. Akbari, “Simultaneous fast frequency control and power oscillation damping by utilizing pv solar system as pv-statcom”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 11, no. 1, pp. 415–425, Jan. 2020 (doi: 10.1109/TSTE.2019.2892943).

[5] R.K. Varma, S. Mohan, “Mitigation of fault induced delayed voltage recovery (FIDVR) by PV-STATCOM”, IEEE Trans. on Power Systems, vol. 37, no. 2, pp. 1666-1666, March 2022 (doi: 10.1109/TPWRS.20­22.­314­80­29).

[6] H. Karbouj, Z.H. Rather, B.C. Pal, “Adaptive voltage control for large scale solar PV power plant considering real life factors”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 12, no. 2, pp. 990-998, April 2021 (doi: 10.1109/TSTE.2020.3029102).

[7] R.K. Varma, E.M. Siavashi, “PV-STATCOM: A new smart inverter for voltage control in distribution systems”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 9, no. 4, pp. 1681–1691, Oct. 2018 (doi: 10.1109/TSTE.20­18.28­08601).

[8] S. Dhanapal, R. Anita, “Voltage and frequency control of stand alone self-excited induction generator using photovoltaic system based STATCOM”, Journal of Circuits, Systems and Computers, vol. 25, no. 4, pp. 1–24, Nov. 2015 (doi: 10.1142/S0218126616500316).

[9] Y. Du, Y. Men, L. Ding, X. Lu, “Large-signal stability analysis for inverter-based dynamic microgrids reconfiguration”, IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 14, no. 2, pp. 836-852, March 2023 (doi: 10.1109/TSG.20­21.­3123937).

[10] J. Park, J. Yu, J. Kim, M. Kim, K. Kim, S. Han, “Frequency/voltage regulation with STATCOM with battery in high voltage transmission system”, International Federation of Automatic Control, vol. 49, no. 27, pp. 296–300, Nov. 2016 (doi: 10.1016/j.ifacol.2016.10.707).

[11] M.Y. Suliman, “Voltage profile enhancement in distribution network using static synchronous compensator STATCOM”, International Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 10, no. 4, pp. 3367–3374, Aug. 2020 (doi: 10.11591/ijece.v10i4.pp3367-3374).

[12] A.J. Ali, M.Y. Suliman, L.A. Khalaf, N.S. Sultan, “Performance investigation of stand-alone induction generator based on STATCOM for wind power application”, International Journal of Electrical and Computer Engineering, vol. 10, no. 6, pp. 5570–5578, Dec. 2020 (doi: 10.11591/ijece.v10i6.pp5570-5578).

[13] W. Rohouma, R.S. Balog, M.M. Begovic, A.A. Peerzada, “Capacitor-less D-STATCOM for voltage profile improvement in a smartgrid distribution network with high pv penetration”, Proceeding of the IEEE/ICSG, vol. 3, pp. 155–159, Istanbul, Turkey, May 2022 (doi: 10.1109/icSmartGrid55722.2022.9848771).

[14] C.A. Cañizares, M. Pozzi, S. Corsi, E. Uzunovic, “STATCOM modeling for voltage and angle stability studies”, International Journal of Electrical Power and Energy Systems, vol. 25, no. 6, pp. 431–441, July 2003 (doi: 10.1016/S0142-0615 (02)00125-4).

[15] A. Moeini, I. Kamwa, “analytical concepts for reactive power based primary frequency control in power systems”, IEEE Trans. on Power Systems, vol. 31, no. 6, pp. 4217–4230, Nov. 2016 (doi: 10.1109/TPW­RS.201­5.2511153).

[16] R.K. Varma, V. Khadkikar, R. Seethapathy, “Nighttime application of PV solar farm as STATCOM to regulate grid voltage”, IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 24, no. 4, pp. 983–985, Dec. 2009 (doi: 10.1109/TEC.2009.2031814).

[17] R.K. Varma, S. Mohan, J. McMichael-Dennis, “Multimode control of PV-STATCOM for stabilization of remote critical induction motor”, IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 10, no. 6, pp. 1872-1881, Nov. 2020 (doi: 10.1109/JPHOTOV.2020.3013975).

[18] R.K. Varma, E.M. Siavashi, “Enhancement of solar farm connectivity with smart PV inverter PV-STATCOM”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 10, no. 3, pp. 1161–1171, July 2019 (doi: 10.1109/TS­TE.2­018.2862405).

[19] R.K. Varma, H. Maleki, “PV solar system control as STATCOM (PV-STATCOM) for power oscillation damping”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 10, no. 4, pp. 1793–1803, Oct. 2019 (doi: 10.1109/T­STE.­20­18.2871074).

[20] R.K. Varma, R. Salehi, “SSR mitigation with a new control of PV solar farm as STATCOM (PV-STATCOM)”, IEEE Trans. on Sustainable Energy, vol. 8, no. 4, pp. 1473–1483, Oct. 2017 (doi: 10.1109/TST­E.20­17.2691279).

[21] R.K. Varma, E.M. Siavashi, S. Mohan, T. Vanderheide, “First in canada, night and day field demonstration of a new photovoltaic solar-based flexible AC transmission system (FACTS) Device PV-STATCOM for stabilizing critical induction motor”, IEEE Access, vol. 7, pp. 149479–149492, Aug. 2019 (doi: 10.1109/A­CC­E­SS.2019.2935161).

[22] N. Goel, S. Chacko, R.N. Patel, “PI controller tuning based on stochastic optimization technique for perfor­mance enhancement of DTC induction motor drives”, Journal of the Institution of Engineers, vol. 101, no. 6, pp. 699–706, Oct. 2020 (doi: 10.1007/s40031-020-00496-z).

[23] M.I. Mosaad, H.S.M. Ramadan, M. Aljohani, M.F. El-Naggar, S.S.M. Ghoneim, “Near-optimal PI controllers of STATCOM for efficient hybrid renewable power system”, IEEE Access, vol. 9, pp. 34119-34130, Feb. 2021 (doi: 10.1109/ACCESS.2021.3058081).

[24] S.R.K. Varma, S.A. Rahman, T. Vanderheide, “New control of PV solar farm as STATCOM (PV-STAT­CO­M) for increasing grid power transmission limits during night and day”, IEEE Trans. on Power Delivery, vol. 30, no. 2, pp. 755–763, April 2015 (doi: 10.1109/TPWRD.2014.2375216).

[25] R.K. Varma, S.A. Rahman, V. Atodaria, S. Mohan, T. Vanderheide, “Technique for fast detection of short circuit current in pv distributed generator”, IEEE Power and Energy Technology Systems Journal, vol. 3, no. 4, pp. 155-165, Dec. 2016 (doi: 10.1109/JPETS.2016.2592465).

[26] R. Kumar, R. Diwania, S. Khetrapal, “Performance assessment of the two metaheuristic techniques and their Hybrid for power system stability enhancement with PV-STATCOM”, Neural Computing and Applic­ations, vol. 34, pp. 3723–3744, March 2022 (doi: 10.1007/s00521-021-06637-9).

[27]        A. Teke, M. E. Meral, L. Saribulut, M. Tümay, “Implementation of fuzzy logic controller using FORTRAN language in PSCAD/EMTDC”, International Journal of  Electrical Engineering and Education, vol. 48, no. 4, pp. 372–390, Oct. 2012 (doi: 10.7227/IJEEE.48.4.3).

[28]        A. Solat, A.M. Ranjbar, B. Mozafari, “A comparative study on fuzzy damping controller for DFIG wind farms to improve power system oscillations”, Journal of Intelligent and  Fuzzy Systems, vol. 37, no. 4, pp. 4965–4978, Jan. 2019 (doi: 10.3233/JIFS-181524).

[29]        S. Souri, H. Mohammadnezhad-Shourkaei, S. Soleymani, B. Mozafari, “Reactive power management in low voltage distribution networks using capability and oversizing of PV smart inverters”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 14, no. 56, pp. 21-42, March 2024 (in Persian) (dor: 20.1001.1.2­3223­871.1402.14.56.2.2).

[30]        M. Abbasi, M. Nafar, M. Simab, “Management and control of microgrids connected to three-phase network with the approach of activating current limitation under unbalanced errors using fuzzy intelligent method with the presence of battery, wind, photovoltaic and diesel sources”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 13, no. 49, pp. 55-66, June 2022 (in Persian) (dor: 20.1001.1.23223871.1401.13.49.4.3).

[31]        F. Haghighatdar-Fesharaki, A. Haghshenas, “STATCOM controller design with using of improved robust backstepping algorithm based on PSO to reduce large signal disturbances in power systems”, Journal of Intelligent Procedures in Electrical Technology, vol. 10, no. 37, pp. 3-12, May 2019 (in Persian) (dor: 20.1001.1.23223871.1398.10.37.1.5).

[32]        C.Y. Tang, J.H. Jheng, “An active power ripple mitigation strategy for three-phase grid-tied inverters under unbalanced grid voltages”, IEEE Trans. on Power Electronics, vol. 38, no. 1, pp. 27-33, Jan. 2023 (doi: 10.1109/TPEL.2022.3198410).

 

زیرنویس­ها

1. Renewable energy

2. Photovoltaic

3. Photovoltaic farms

4. Voltage instability

5. Heavy loading

6. Flexible ac transmission system

7. Static synchronous compensator

8. Shunt compensation

9. Reactive power compensation

10. Photovoltaic based on static synchronous compensator

11. Power system stabilizer

12. Temporary over voltages

13. Power oscillation damping 

14. Sub synchronous resonance

15. Dynamic load disturbances

16. Voltage source inverter

17. Current controller

18. Reference signal

19. Maximum power point tracking

20. Membership function

21. Fuzzy inference system

22. Remaining capacity of the inverter

23. Overshoot

24. Settling time


مقالات مرتبط

حقوق این وب‌سایت متعلق به سامانه مدیریت نشریات دانشگاه آزاد اسلامی است.
حق نشر © 1403-1400

صفحه اصلی| عضویت/ ورود| درباره سند| تماس با ما|
[English] [العربية] [en] [ar]