ریز‌شبکه‌ها به عنوان یکی از فناوری‌های مهم در سیستم‌های قدرت مدرن، نقش مهمی در افزایش قابلیت اطمینان شبکه، استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر و ایجاد ساختارهای تولید پراکنده ایفا می‌کنند. یکی از قابلیت‌های مهم یک ریزشبکه، امکان عملکرد مستقل از شبکه اصلی یا حالت جزیره‌ای (Islanded Mode) است. در این حالت، ریزشبکه پس از جدا شدن از شبکه سراسری باید بتواند به صورت خودگردان ولتاژ و فرکانس مورد نیاز مصرف‌کنندگان را تأمین کند. در این شبیه سازی، عملکرد جزیره‌ای یک ریزشبکه مبتنی بر اینورتر با استفاده از تکنیک کنترل دروپ (Droop Control) در محیط Matlab بررسی می‌شود.

کنترل دروپ یکی از روش‌های شناخته‌شده و پرکاربرد برای کنترل منابع تولید پراکنده در ریزشبکه‌ها است. این روش با الهام از رفتار ژنراتورهای سنکرون در شبکه‌های قدرت سنتی توسعه یافته است و امکان تقسیم توان بین چند منبع موازی را بدون نیاز به ارتباط مخابراتی پیچیده فراهم می‌کند. در این روش، هر اینورتر بر اساس میزان توان تولیدی خود، تغییرات مشخصی در فرکانس و ولتاژ ایجاد می‌کند و از این طریق هماهنگی بین منابع مختلف برقرار می‌شود.

در سیستم‌های قدرت معمولی، ژنراتورهای سنکرون با استفاده از مشخصه‌های افتی توان-فرکانس و توان راکتیو-ولتاژ، به صورت طبیعی در تقسیم بار مشارکت می‌کنند. کنترل دروپ همین رفتار را برای اینورترهای متصل به منابع انرژی مانند پنل‌های خورشیدی، توربین‌های بادی و سیستم‌های ذخیره‌ساز انرژی شبیه‌سازی می‌کند. یکی از مزایای مهم این روش، عدم نیاز به حلقه قفل فاز (PLL) برای هماهنگی بین اینورترها است، زیرا تمام اینورترها در نهایت به یک فرکانس مشترک دست پیدا می‌کنند.

معرفی ریزشبکه مبتنی بر اینورتر

مدل مورد بررسی شامل یک ریزشبکه جزیره‌ای است که از سه زیرسیستم اینورتر موازی تشکیل شده است. این سه اینورتر به باس نقطه اتصال مشترک (Point of Common Coupling یا PCC) متصل هستند و هر کدام ظرفیت توان متفاوتی دارند. توان نامی اینورترها به ترتیب برابر با 500 کیلووات، 300 کیلووات و 200 کیلووات در نظر گرفته شده است. اتصال موازی اینورترها باعث می‌شود که هر واحد تولیدی بتواند بخشی از بار کل ریزشبکه را تأمین کند.

برای بررسی رفتار دینامیکی سیستم، یک مدل بار متغیر در شبیه سازی استفاده شده است. این مدل امکان تغییر ناگهانی مقدار توان اکتیو و راکتیو مصرفی را فراهم می‌کند تا عملکرد کنترل‌کننده‌ها در شرایط مختلف بارگذاری بررسی شود. همچنین یک سیستم کنترل نظارتی ریزشبکه (Microgrid Supervisory Control) در مدل قرار داده شده است که در صورت فعال شدن، نقاط تنظیم کنترل دروپ را اصلاح کرده و فرکانس و ولتاژ ریزشبکه را به مقادیر نامی بازمی‌گرداند.

ساختار هر زیرسیستم اینورتر

هر یک از اینورترهای موجود در مدل شامل چند بخش اصلی است. بخش قدرت شامل یک مبدل الکترونیک قدرت سه‌فاز دو سطحی، فیلتر LC، ترانسفورماتور افزاینده 480/600 ولت و یک منبع DC ایده‌آل برای نمایش لینک DC سیستم تولید انرژی است. این منبع DC می‌تواند نماینده یک سیستم واقعی مانند آرایه فتوولتائیک، توربین بادی یا باتری ذخیره انرژی باشد.

در کنار بخش قدرت، سیستم کنترل نیز برای هر اینورتر در نظر گرفته شده است. این سیستم وظیفه تنظیم جریان و ولتاژ خروجی اینورتر، تولید سیگنال‌های مرجع و کنترل کلیدزنی مبدل قدرت را بر عهده دارد. سیگنال‌های کنترلی پس از پردازش توسط کنترل‌کننده‌ها به واحد تولید PWM ارسال می‌شوند تا پالس‌های مناسب برای کلیدهای نیمه‌هادی اینورتر ایجاد شود.

تکنیک کنترل دروپ در ریزشبکه

مهم‌ترین بخش کنترلی این شبیه سازی، کنترل دروپ است. در این روش دو مشخصه اصلی برای کنترل توان مورد استفاده قرار می‌گیرد:

• مشخصه توان اکتیو-فرکانس (P/F Droop): این مشخصه رابطه بین توان اکتیو تولیدی اینورتر و فرکانس سیستم را تعیین می‌کند.

• مشخصه توان راکتیو-ولتاژ (Q/V Droop): این مشخصه رابطه بین توان راکتیو و سطح ولتاژ باس مشترک را کنترل می‌کند.

در این مدل، مقدار دروپ توان-فرکانس برابر 1 درصد تنظیم شده است. بنابراین فرکانس ریزشبکه در شرایط مختلف بار می‌تواند بین 60.3 هرتز در حالت بدون تولید توان اکتیو و 59.7 هرتز در حالت تولید توان نامی تغییر کند. همچنین مقدار دروپ توان راکتیو-ولتاژ برابر 4 درصد در نظر گرفته شده است که باعث می‌شود ولتاژ باس PCC در محدوده مشخصی تغییر کند.

با استفاده از این مشخصه‌ها، هر اینورتر متناسب با ظرفیت خود در تأمین بار مشارکت می‌کند. به عنوان مثال، اینورتر با توان نامی 500 کیلووات سهم بیشتری از بار را نسبت به اینورتر 200 کیلوواتی تأمین خواهد کرد. این تقسیم توان بدون نیاز به کنترل مرکزی سریع انجام می‌شود و باعث افزایش پایداری سیستم می‌گردد.

بخش‌های اصلی سیستم کنترل اینورتر

اندازه‌گیری توان و کمیت‌های الکتریکی

در بخش اندازه‌گیری، اطلاعات مربوط به فرکانس، توان اکتیو، توان راکتیو و مؤلفه‌های d-q ولتاژ و جریان سه‌فاز در نقطه اتصال مشترک محاسبه می‌شود. این اطلاعات برای حلقه‌های کنترلی بعدی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کنترل‌کننده‌های ولتاژ

مقدار مرجع ولتاژ تولید شده توسط کنترل دروپ به کنترل‌کننده ولتاژ ارسال می‌شود. این کنترل‌کننده با مقایسه ولتاژ اندازه‌گیری شده در سیستم d-q و مقدار مرجع، جریان‌های مرجع Id و Iq را تولید می‌کند. این جریان‌ها مشخص می‌کنند که اینورتر چه مقدار توان اکتیو و راکتیو باید تولید کند.

کنترل‌کننده‌های جریان

جریان‌های مرجع Id و Iq وارد حلقه کنترل جریان می‌شوند. این کنترل‌کننده‌ها با پردازش جریان‌های اندازه‌گیری شده و مقادیر مرجع، ولتاژهای کنترلی d-q مورد نیاز برای مبدل قدرت را تولید می‌کنند. استفاده از محاسبات پیش‌خور (Feed Forward) باعث بهبود پاسخ دینامیکی کنترل‌کننده‌ها می‌شود.

تولید سیگنال PWM

در مرحله نهایی، ولتاژهای d-q تولید شده به سیستم سه‌فاز تبدیل شده و به عنوان سیگنال مرجع برای مدولاتور PWM استفاده می‌شوند. مدولاتور PWM نیز پالس‌های کلیدزنی مناسب را برای اینورتر تولید می‌کند.

نتایج شبیه سازی ریزشبکه جزیره‌ای

در ابتدای شبیه سازی، بار کل ریزشبکه برابر 450 کیلووات توان اکتیو و 100 کیلووار توان راکتیو است. در زمان یک ثانیه، مقدار بار افزایش یافته و به 850 کیلووات و 200 کیلووار می‌رسد. این تغییر باعث ایجاد اختلال در فرکانس و ولتاژ سیستم می‌شود.

در زمان سه ثانیه، کنترل دروپ برای تمام اینورترها فعال می‌شود. پس از فعال شدن کنترل، مشاهده می‌شود که بار جدید بین سه اینورتر تقسیم شده و هر واحد بر اساس ظرفیت نامی خود در تأمین انرژی مصرف‌کننده‌ها مشارکت می‌کند. این رفتار نشان‌دهنده عملکرد صحیح الگوریتم تقسیم توان در حالت جزیره‌ای است.

در زمان پنج ثانیه، سیستم کنترل نظارتی فعال می‌شود. این سیستم با اصلاح نقاط تنظیم کنترل دروپ، فرکانس ریزشبکه را به مقدار نامی 60 هرتز و ولتاژ خط را به مقدار 600 ولت بازمی‌گرداند. این فرآیند نشان می‌دهد که ترکیب کنترل دروپ و کنترل نظارتی می‌تواند پایداری بلندمدت ریزشبکه را تضمین کند.

بررسی هارمونیک‌های ولتاژ باس PCC

یکی دیگر از بخش‌های مهم این شبیه سازی، بررسی اثر اختلاف فاز حامل‌های PWM بر کیفیت توان خروجی است. برای این منظور، تحلیل FFT روی ولتاژ فاز A باس PCC انجام می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که بیشترین هارمونیک در نزدیکی فرکانس کلیدزنی 2700 هرتز مشاهده می‌شود و مقدار آن حدود 2 درصد است.

با تغییر فاز اولیه حامل اینورتر دوم به مقدار 90- درجه و اجرای مجدد شبیه سازی، میزان هارمونیک‌های اطراف فرکانس کلیدزنی کاهش قابل توجهی پیدا می‌کند. دلیل این موضوع، ایجاد حذف نسبی هارمونیک‌های کلیدزنی بین اینورترها است. این تکنیک می‌تواند در طراحی ریزشبکه‌های چنداینورتری برای بهبود کیفیت توان بسیار مؤثر باشد.

جمع‌بندی شبیه سازی

در این شبیه سازی، عملکرد یک ریزشبکه مبتنی بر اینورتر در حالت جزیره‌ای با استفاده از کنترل دروپ در محیط Matlab بررسی شد. نتایج نشان داد که کنترل دروپ می‌تواند بدون نیاز به ارتباط پیچیده بین واحدها، تقسیم توان مناسبی بین اینورترهای موازی ایجاد کند. همچنین استفاده از کنترل نظارتی امکان بازگرداندن ولتاژ و فرکانس به مقادیر استاندارد را فراهم می‌کند.

این مدل می‌تواند به عنوان یک نمونه کاربردی برای مطالعه مفاهیم کنترل ریزشبکه، تولید پراکنده، منابع انرژی تجدیدپذیر و طراحی سیستم‌های قدرت هوشمند مورد استفاده قرار گیرد. شبیه سازی چنین ساختارهایی در Matlab به مهندسان و پژوهشگران کمک می‌کند تا قبل از پیاده‌سازی عملی، عملکرد سیستم‌های پیچیده انرژی را تحلیل و بهینه‌سازی کنند.